Электрохимия полупроводников. Батенков В.А. - 145 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

АлтГУ | Барнаул

Составители: 

Рубрика: 

145
шим ростом энергии фотонов, т. е. с уменьшением длины волны, фотопотенциал почти не
изменяется. Он растёт с увеличением интенсивности освещения и для полупроводников
n-типа достигает значений: при обычном солнечном освещении: –Е
ф
≈ (1/2)∆E
g
; при 1000-
кратном солнечном освещении: –Е
ф
≈ (2/3)∆E
g
(см. [47], с. 435, рис. 38).
4. В отсутствие окислителей изменение рН раствора, существенно меняя темновое значе-
ние потенциала полупроводникового электрода, практически не влияет на значение его фотопо-
тенциал (см. табл. 4.5) [12-16, 23]. Восстановители также существенно не изменяют Е
ф
.
4.7.4. Физическая теория фотопотенциала
Физическая теория процессов, обусловленных воздействием квантов света на полупро-
водник, изложена в п. 8 раздела «Элементы физики полупроводников» В физике полупро-
водников фотопотенциал объясняется изменением падения потенциала (напряжения) в при-
поверхностной области полупроводника вследствие изменения в ней концентрации неравно-
весных носителей при воздействии на нее света.
Согласно экспериментальным данным в отсутствие внешнего тока через полупровод-
ник фотоэффект системы полупроводник – электролит наиболее заметно проявляется для не-
вырожденного полупроводника n-типа. Поэтому в дальнейшем рассматривается фотопотен-
циал таких полупроводников, у которых n
o
» n
i
» p
o
и диффузионная длина пазонов (дырок)
L
p
» L
±
(L
±
или L
1
– толщина ОПЗ). Это выполняется для таких невырожденных полупровод-
ников как германий, кремний, арсенид галлия и им подобных. Взаимное расположение об-
ластей L
p
и L
±
показано на рисунках 5 и 1.6.
Структура малолегированный полупроводник n-типа – электролит ведет себя также как кон-
такт МП. Для малолегированного полупроводника в основном уравнении электрохимической ки-
нетики (1.32)
α ≈ 0, а β = (1 – α) ≈ 1. При освещении такой структуры со стороны электролита ее
вольтамперная характеристика, согласно уравнению (1.47), определяется выражением:
i + (–i
ф
) = i
l
o
{1 – exp[–(η+E
ф
)F/RT]}, (4.64)
где i и i
ф
– плотность темнового тока и фототока; i
l
o
– плотность предельного анодного тока
или тока насыщения (уравнения (2.50) или (3.21));
η – перенапряжение, η = E
i
– E; E
ф
– фо-
топотенциал, E
ф
= E
lt
– E
i
. Знак (–) перед E
ф
и i
ф
показывает, что фотоэффект уменьшает
электродный потенциал полупроводника и фототок является катодным током.
При разрыве внешней цепи, т. е. при i = 0 и
η = 0, из уравнения (4.64) для E
ф
находим:
E
ф
= – (RT /F) ln [1 +(i
ф
/ i
l
o
)], (4.65)
где E
ф
– максимальное значение фотопотенциала для данной интенсивности освещения;
В уравнении (4.65), поделив i
ф
по уравнению (44) (см. п. 8) на уравнение (2.50) или (3.21)
для i
l
o
, получим иное, громоздкое теоретическое выражение для расчёта фотопотенциала.
Значения i
ф
и i
l
o
можно также измерить экспериментально и затем рассчитать фотопотенциал.
4.7.5. Электрохимическое объяснение фотопотенциала
Экспериментальные данные свидетельствуют, что фотопотенциал для контакта полу-
проводника с электролитом или металлом проявляется, когда на поверхности полупроводни-
ка существует слой оксидов или в общем случае слой соединений с ионной или полярной
связью. Наличие оксидов на поверхности германия и соединений А
III
В
V
подтверждается их
поведением как металлоксидных электродов и непосредственным обнаружением оксидов
многими исследователями (см., например, [48-50]).
1. Для оксидного электрода характерно два основных равновесия: электронное – на
границе металл (электронопроводящая фаза) – оксид (см. рис. 4.4, строка 7, граница 1|2а):
е
–
(M
z+
,
ed)
↔ е
–
(M
z+
, ox) (4.66)
шим ростом энергии фотонов, т. е. с уменьшением длины волны, фотопотенциал почти не
изменяется. Он растёт с увеличением интенсивности освещения и для полупроводников
n-типа достигает значений: при обычном солнечном освещении: –Еф ≈ (1/2)∆Eg; при 1000-
кратном солнечном освещении: –Еф ≈ (2/3)∆Eg (см. [47], с. 435, рис. 38).
     4. В отсутствие окислителей изменение рН раствора, существенно меняя темновое значе-
ние потенциала полупроводникового электрода, практически не влияет на значение его фотопо-
тенциал (см. табл. 4.5) [12-16, 23]. Восстановители также существенно не изменяют Еф.

     4.7.4. Физическая теория фотопотенциала
      Физическая теория процессов, обусловленных воздействием квантов света на полупро-
водник, изложена в п. 8 раздела «Элементы физики полупроводников» В физике полупро-
водников фотопотенциал объясняется изменением падения потенциала (напряжения) в при-
поверхностной области полупроводника вследствие изменения в ней концентрации неравно-
весных носителей при воздействии на нее света.
      Согласно экспериментальным данным в отсутствие внешнего тока через полупровод-
ник фотоэффект системы полупроводник – электролит наиболее заметно проявляется для не-
вырожденного полупроводника n-типа. Поэтому в дальнейшем рассматривается фотопотен-
циал таких полупроводников, у которых no » ni » po и диффузионная длина пазонов (дырок)
Lp » L± (L± или L1– толщина ОПЗ). Это выполняется для таких невырожденных полупровод-
ников как германий, кремний, арсенид галлия и им подобных. Взаимное расположение об-
ластей Lp и L± показано на рисунках 5 и 1.6.
      Структура малолегированный полупроводник n-типа – электролит ведет себя также как кон-
такт МП. Для малолегированного полупроводника в основном уравнении электрохимической ки-
нетики (1.32) α ≈ 0, а β = (1 – α) ≈ 1. При освещении такой структуры со стороны электролита ее
вольтамперная характеристика, согласно уравнению (1.47), определяется выражением:
     i + (–iф) = ilo{1 – exp[–(η+Eф)F/RT]},                                           (4.64)
где i и iф – плотность темнового тока и фототока; ilo – плотность предельного анодного тока
или тока насыщения (уравнения (2.50) или (3.21)); η – перенапряжение, η = Ei – E; Eф – фо-
топотенциал, Eф = Elt – Ei. Знак (–) перед Eф и iф показывает, что фотоэффект уменьшает
электродный потенциал полупроводника и фототок является катодным током.
      При разрыве внешней цепи, т. е. при i = 0 и η = 0, из уравнения (4.64) для Eф находим:
     Eф = – (RT /F) ln [1 +(iф / ilo)],                                               (4.65)
где Eф – максимальное значение фотопотенциала для данной интенсивности освещения;
      В уравнении (4.65), поделив iф по уравнению (44) (см. п. 8) на уравнение (2.50) или (3.21)
для ilo, получим иное, громоздкое теоретическое выражение для расчёта фотопотенциала.
Значения iф и ilo можно также измерить экспериментально и затем рассчитать фотопотенциал.

     4.7.5. Электрохимическое объяснение фотопотенциала

     Экспериментальные данные свидетельствуют, что фотопотенциал для контакта полу-
проводника с электролитом или металлом проявляется, когда на поверхности полупроводни-
ка существует слой оксидов или в общем случае слой соединений с ионной или полярной
связью. Наличие оксидов на поверхности германия и соединений АIIIВV подтверждается их
поведением как металлоксидных электродов и непосредственным обнаружением оксидов
многими исследователями (см., например, [48-50]).
     1. Для оксидного электрода характерно два основных равновесия: электронное – на
границе металл (электронопроводящая фаза) – оксид (см. рис. 4.4, строка 7, граница 1|2а):
     е– (Mz+, ed) ↔ е– (Mz+, ox)                                                      (4.66)


                                              145

Страницы