Fotowoltaiczny potencjał powierzchniowy (lub napięcie fotowoltaiczne powierzchniowe; ang. surface photovoltage, SPV) – zmiana potencjału elektrycznego na powierzchni półprzewodnika wywołana oświetleniem, wynikająca z generacji par elektron‑dziura i ich transportu w obszarze przy powierzchni. Zjawisko to jest ściśle powiązane z krzywizną pasm energetycznych w obszarach ładunku przestrzennego i jest szeroko stosowane jako technika badawcza przy charakteryzowaniu właściwości elektronicznych półprzewodników, szczególnie w kontekście dyfuzji ładunków, rekombinacji i długości dyfuzji nośników mniejszościowych.
Teoria Na nieoświetlonej powierzchni półprzewodnika często tworzy się obszar ładunku przestrzennego (space charge region) z powodu defektów powierzchniowych lub pasywacji, co generuje lokalne pole elektryczne i powoduje zagięcie pasm energetycznych względem poziomu Fermiego. Po oświetleniu materiału fotony generują pary elektron‑dziura; nośniki mniejszościowe mogą dotrzeć do obszaru powierzchniowego i ekranować powierzchniowy ładunek przestrzenny, co powoduje zmianę potencjału powierzchniowego – jest to właśnie powierzchniowe napięcie fotowoltaiczne. Zmiana SPV zależy od absorpcji światła w materiale, długości dyfuzji nośników mniejszościowych, poziomu domieszkowania, obecności powierzchniowych centrów rekombinacyjnych i właściwości bariery powierzchniowej.
Metody pomiaru Pomiar SPV stosowany jest w badaniach powierzchniowych i w charakterystyce nośników mniejszościowych. Wyróżnia się metody kontaktowe i bezkontaktowe.
Sonda Kelvina
Podstawową techniką bezkontaktową jest sonda Kelvina (Kelvin probe) oraz jej odmiana Kelwinowska mikroskopia siły sondy (Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM). Sonda mierzy różnicę potencjałów między próbką a elektrodą w ciemności i po oświetleniu; różnica odpowiada SPV. KPFM umożliwia mapowanie SPV z rozdzielczością nanometrową, co pozwala badać heterostruktury, materiały 2D i lokalne niejednorodności powierzchni .
Spektroskopia SPV
Pomiar zależności SPV od długości fali światła pozwala kontrolować głębokość generacji nośników oraz wyznaczać długość dyfuzji nośników mniejszościowych i właściwości bariery powierzchniowej.
Układy MIS i inne konfiguracje
Struktury metal‑izolator‑półprzewodnik (MIS) pozwalają na selektywne badanie interfejsów oraz kontrolę głębokości generacji ładunków. Czynniki eksperymentalne obejmują temperaturę próbki, długość fali światła oraz obecność powierzchniowych centrów rekombinacyjnych.
Znaczenie SPV jest techniką szeroko stosowaną w fizyce półprzewodników do badania nośników mniejszościowych, ich dyfuzji i rekombinacji. Umożliwia ocenę jakości materiału poprzez określenie gęstości centrów rekombinacyjnych oraz długości życia nośników. Technika ta jest wykorzystywana w badaniach złączy p‑n, diod fotowoltaicznych, diod elektroluminescencyjnych, detektorów fotoprzewodnościowych oraz tranzystorów bipolarnych. Dzięki metodom bezkontaktowym (np. sondzie Kelvina) SPV jest szczególnie użyteczny w materiałach, w których trudno wytworzyć stabilne, omiczne kontakty elektryczne.
Przypisy
Kategoria:Półprzewodniki