Квантовая эффективность

Квантовая эффективность полупроводниковых устройств

Определение и физический смысл Квантовая эффективность (η_q) — это величина, характеризующая эффективность преобразования падающих фотонов в носители заряда (электроны и дырки) в полупроводниковом материале. В общем виде она определяется как отношение числа фотогенерированных носителей заряда N_e к числу поглощенных фотонов N_ph:

$$ \eta_q = \frac{N_e}{N_{ph}}. $$

Важнейший физический смысл квантовой эффективности заключается в том, что она отражает внутренние процессы взаимодействия фотона с кристаллической решеткой и электронными уровнями полупроводника, включая рекомбинацию, поглощение и рассеяние.

Внутренняя и внешняя квантовая эффективность Различают две основные величины:

1. Внутренняя квантовая эффективность (η_int) Отражает долю фотонов, действительно поглощенных материалом и приведших к генерации носителей заряда, относительно всех поглощенных фотонов:

   $$ \eta_{int} = \frac{N_e}{N_{ph}^{abs}}, $$

   где N_ph^abs — число поглощенных фотонов. Этот показатель учитывает только процессы внутри материала, исключая потери на отражение, рассеяние и выход фотонов из поверхности.

2. Внешняя квантовая эффективность (η_ext) Показывает эффективность преобразования всех падающих на устройство фотонов, включая отражение и неэффективное поглощение:

   $$ \eta_{ext} = \frac{N_e}{N_{ph}^{inc}}, $$

   где N_ph^inc — число падающих фотонов. Связь между внутренней и внешней квантовой эффективностью задается коэффициентом поглощения и коэффициентом отражения:

   η_ext = η_int(1 − R),

   где R — коэффициент отражения поверхности полупроводника.

Зависимость квантовой эффективности от длины волны Квантовая эффективность сильно зависит от энергии фотона (E = hν) и, соответственно, от длины волны излучения. Для полупроводников с запрещенной зоной E_g справедливо:

• При hν < E_g поглощение фотонов невозможно, η_q ≈ 0.
• При hν ≳ E_g поглощение эффективно, и квантовая эффективность достигает максимума.
• При hν ≫ E_g часть энергии фотона теряется на тепловое возбуждение, и эффективность может снижаться из-за рекомбинационных потерь и нагрева.

Графически зависимость η_q(λ) часто изображается в виде спектра, где наблюдается порог на длине волны, соответствующей ширине запрещенной зоны.

Факторы, влияющие на квантовую эффективность

1. Кристаллографическая структура и качество материала Дефекты решетки, вакансии и примеси создают центры рекомбинации, уменьшающие внутреннюю квантовую эффективность.

2. Толщина активного слоя Слишком тонкий слой поглощает не все фотоны, снижая эффективность. Слишком толстый слой увеличивает вероятность рекомбинации перед выведением носителей заряда.

3. Поверхностные эффекты На границах полупроводника происходит значительная рекомбинация носителей, что особенно критично для тонкопленочных структур. Для минимизации потерь используют пассивацию поверхности.

4. Электрическое поле В фотоприемниках и солнечных элементах внутреннее электрическое поле ускоряет разделение носителей заряда, снижая вероятность их рекомбинации и повышая квантовую эффективность.

5. Температура Повышение температуры увеличивает тепловую рекомбинацию, что приводит к снижению квантовой эффективности.

Методы измерения квантовой эффективности

1. Спектральная фотометрия Измеряют фототок при известной интенсивности и спектре падающего излучения. Квантовая эффективность определяется как отношение измеренного фототока к потоку фотонов.

2. Фотолюминесцентный метод Позволяет оценить внутреннюю квантовую эффективность по интенсивности излучения при возбуждении известной интенсивностью.

3. Импульсные методы Используют короткие световые импульсы и анализируют динамику генерации и рекомбинации носителей заряда, позволяя выявлять потери на рекомбинацию и рассеиваемое тепло.

Практическое значение квантовой эффективности

• В солнечных элементах высокая квантовая эффективность означает максимальное преобразование солнечного излучения в электрический ток.
• В фотодетекторах и лавинных фотодиодах η_q определяет чувствительность устройства и минимально различимую интенсивность света.
• В светодиодах и лазерах обратная квантовая эффективность (эффективность излучения) определяет выходную мощность и яркость источника.

Улучшение квантовой эффективности

• Оптимизация структуры слоя с целью полного поглощения фотонов.
• Использование антиотражающих покрытий для уменьшения потерь на поверхности.
• Минимизация дефектов кристаллической решетки и центров рекомбинации.
• Создание внутреннего электрического поля для эффективного разделения носителей.
• Контроль температуры эксплуатации для снижения тепловой рекомбинации.

Заключение для учебного материала Квантовая эффективность является ключевым параметром при проектировании и исследовании полупроводниковых приборов. Она отражает эффективность преобразования фотонов в электроны и дырки, спектральные особенности материала, а также качество изготовления и эксплуатационные условия. Анализ η_q позволяет прогнозировать производительность устройств и оптимизировать их конструкцию для конкретных задач.