При рассмотрении идеальной эффективности фотоэлектрического преобразователя в предыдущем параграфе мы полагали, что фотон с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, приводит к образованию только од­ной электронно-дырочной пары. Избыточная энергия фотона затрачивается на увеличение кинетической энергии электрона и дырки и быстро рассеивается в виде тепла (термолизуется). Это предположение с достаточной точностью спра­ведливо для фотоэлектрических преобразователей сделанных на основе одно­родного материала.

Почему же фотон с энергией больше 2 W не приводит к образованию допол­нительных электронно-дырочных пар? Одной из причин является то, что фотон неделим и, следовательно, не может разделиться так, чтобы провзаимодейство- вать с двумя атомными связями одновременно. Поэтому при поглощении фотона возникает всего одна электронно-дырочная пара. Однако появившиеся при этом электрические носители заряда в ряде случаев могут приводить к дальнейшей ионизации атомов, создавая дополнительные электронно-дырочные пары. Такая столкновительная ионизация проявляется с довольно низкой эффективностью (менее 1 % в однородном Si) и дает очень небольшой вклад в общее число об­разованных электронно-дырочных пар (от числа которых и зависит количество носителей заряда).

Относительно недавно было обнаружено, что эффективность столкновитель - ной ионизации может возрасти почти до 100 % в нанокристаллических матери­алах (например, в PbSe с размерами кристаллов около 5 нм).

Избыток энергии фотона Wph-Wg распределяется между созданными элек­троном и дыркой в соответствии с их массами. Поскольку в PbSe эти частицы имеют приблизительно одинаковую эффективную массу, то каждая частица при­обретает примерно одинаковое количество избыточной энергии: (Wph и для того, чтобы вызывать дальнейшую ионизацию с образованием электрон­но-дырочных пар, эта энергия должна быть больше, чем Wg.

Таким образом, столкновительная ионизация в селениде свинца будет иметь место только тогда, когда W ь > 3 Wg То есть для обеспечения ионизации требу­ется энергия фотона, превышающая некоторое пороговое значение.

На рис. 12.3 показано, что, начиная с порогового значения 1Р(1/ Wg, равного при­мерно трем, эффективность процесса ионизации в соответствии с данными разньп экспериментов увеличивается пропорционально росту избыточной энергии фотона.

Расчеты показывают, что идеальная эффективность фотодиодов из селени - да свинца при облучении солнечным излучением может превышать 60 %, что вызывает большой интерес к данному материалу. Высокое значение эффектив­ности связано с относительно малой шириной запрещенной зоны Wg, которая может «регулироваться» в диапазоне от 0.3 до 1,3 эВ. Таким образом, с учетом возможности использования столкновительной ионизации он может абсорбиро­

вать солнечное излучение в широком диапазоне частот — от ближнего инфра­красного до ультрафиолетового. Возможности изменения ширины запрешенной зоны будут обсуждаться в п. 12.4.1.

Для того чтобы лучше разобраться в проблеме увеличения носителей заряда, самостоятельно решите задачу 12.26.