Пьезоэлектрические устройства представляют собой большой класс устройств, создающих электрический заряд под действием приложенного напряжения или механической нагрузки. Любая физическая деформация генерирует электрический заряд. Пьезоэлектрические устройства используются во многих различных приложениях и электронных системах. Как и многие большие классы устройств, пьезоэлектрические устройства имеют множество подклассов устройств. Например, одним из подклассов пьезоэлектрических устройств является пьезотроника. Даже в подклассе пьезотроники есть еще один подкласс, называемый пьезофототроника.
Пьезофототронные устройства используют принципы пьезотроники, но ориентированы на более оптоэлектронные и фотонные приложения и используют общие пьезоэлектрические принципы, которые проявляют новые эффекты при определенных обстоятельствах.
Пьезофототронные устройства демонстрируют пьезотронный эффект, когда пьезопотенциал используется в качестве напряжения затвора для настройки и управления свойствами носителей заряда устройства. Однако ключевой отличительной чертой материалов, используемых в пьезотронных и пьезофототронных системах, является то, что пьезофототронные материалы также реагируют на свет. Пьезофототронные системы основаны на использовании одномерных полупроводниковых наноматериалов, поскольку пьезоэлектрический эффект создает потенциал напряжения, который можно использовать с помощью этих наноматериалов для настройки, управления и модуляции различных электронных систем. В данной статье мы рассмотрим, что такое пьезофототронные материалы и как их можно использовать в различных оптоэлектронных устройствах.
Пьезофототронные приборы работают на пьезофототронном эффекте. Однако обычно основное внимание уделяется оптоэлектронным приложениям по сравнению с сенсорными и вычислительными приложениями пьезотронных устройств. Пьезофототронные системы работают, используя комбинацию пьезоэлектрических, полупроводниковых и фотонных свойств. Чтобы понять фундаментальные принципы пьезофототроники, нам нужно взглянуть на всеобъемлющие пьезоэлектрические принципы, которые отвечают за их работу. Все пьезоэлектрические устройства, включая как пьезотронные, так и пьезофототронные устройства, проявляют пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический эффект – это генерация электрического напряжения в материале, когда он подвергается механическому воздействию или деформации. Ионы в решетке перестраиваются, создавая положительный заряд на одной стороне материала и отрицательный заряд на другой стороне.
Эта перегруппировка зарядов также создает большой дипольный момент в нецентросимметричных материалах. Создание дипольного момента в материале создает электрический потенциал, известный как пьезоэлектрический потенциал. Этот потенциал является фундаментальным принципом и особенностью как пьезотронных, так и пьезофототронных материалов, при этом основное различие между двумя системами заключается в том, что когда их принципы применяются к фотоустройствам и оптоэлектронным устройствам, они известны как пьезофототронные материалы. Это означает, что материалы, используемые в пьезофототронике, должны обладать определенным уровнем свойств фотовозбуждения, тогда как пьезотронные устройства этого не делают. Более того, пьезофототронные устройства, как правило, также используются с фотоиндуцированными токами, и эти материалы в конечном итоге используются для улучшения характеристик различных оптоэлектронных устройств путем модуляции того, сколько тока протекает через устройство в данный момент времени. Из-за требований к фотовозбуждению и возможности использования в оптоэлектронных устройствах нанопроволоки, исследованные до сих пор в пьезофототронных приложениях, обычно представляли собой нанопроволоки ZnO, GaAs и InN.
Одним из самых больших потенциальных применений пьезофототронных материалов являются солнечные элементы. Солнечные элементы, использующие пьезотронные принципы, основаны либо на границах раздела металл-полупроводник, либо на p-n переходах, а на стыке двух материалов образуется зона обеднения. Эта обедненная зона заполнена нейтрально заряженными частицами, а электронно-дырочные пары, генерируемые фотонами, разделены по обе стороны от соединения. Солнечные элементы используют сильное электрическое поле в зоне истощения, чтобы помочь разделить положительные дырочные и отрицательные электронные носители заряда. Когда фотон попадает в соединение, носители заряда получают энергию и перемещаются через соединение, разрушая зону обеднения, пока достаточное количество носителей заряда не рекомбинирует, чтобы снова создать барьер между двумя видами носителей заряда. В этот момент фотоны удаляются, поскольку источник энергии для движения носителей заряда удаляется, что приводит к рекомбинации носителей заряда.
Когда в переходе солнечного элемента используются пьезофототронные материалы, поляризационные заряды, возникающие при деформации, могут изменять структуру электронных зон на границе раздела. Электронные полосы в этих соединениях деформируются, что приводит к разрыву, известному как барьер Шоттки, который может иметь разную «высоту» в зависимости от того, насколько близко он находится к границе раздела. Положение высоты барьера Шоттки оказывает ключевое влияние на то, сколько носителей заряда проходит через переход, поскольку это зависит от различных электронных зон вблизи границы раздела. Использование поляризационных зарядов под напряжением позволяет создать зонную структуру и лучше контролировать генерацию, разделение и перенос носителей заряда через соединение. Это также означает, что зона проводимости и валентная зона могут быть уменьшены, следовательно, снижается высота барьера Шоттки перехода, что ускоряет разделение электронов и дырок и уменьшает возможность рекомбинации. Таким образом, модулируя и настраивая носители заряда на переходе, пьезофототронные материалы предлагают способ управления и повышения производительности солнечных элементов и повышения их эффективности преобразования энергии.
Пьезофототроника применяется и в фотодетекторах. Работа фотодетектора основана на разделении электронно-дырочных пар, генерируемых фотонами, либо через p-n переход, либо через барьер Шоттки. Это означает, что высота барьера Шоттки является важным фактором, определяющим чувствительность прибора. Как и в случае с солнечными элементами, создание напряжения в пьезофототронном материале может помочь уменьшить высоту барьера Шоттки, облегчая прохождение носителей заряда через переход. Это позволило создавать фотоприемники (особенно УФ-фотоприемники) с более высоким уровнем чувствительности и использовать их даже при слабой интенсивности освещения. В результате пьезофототронные материалы могут значительно улучшить характеристики фотодетекторов со слабым световым освещением, но индуцированная деформация мало влияет на чувствительность к более сильному световому освещению. На самом деле, при повышенных уровнях освещенности фотоприемники могут работать хуже из-за накопления вновь генерируемых носителей заряда, экранирующих пьезопотенциал и уменьшающих его.
Таким образом, усовершенствование пьезофототронных материалов в фотодетекторах больше направлено на фотодетекторы со слабым освещением. Пьезопотенциал можно использовать для модуляции и управления высотой барьера Шоттки, который настраивает производительность и чувствительность детектора, особенно при низких уровнях освещенности. Они также подходят для детекторов слабого освещения, потому что пьезофототронные заряды, вызванные деформацией, не влияют на темновой ток, иными словами, на ток, протекающий через детектор, когда нет потока падающих фотонов, что полезно для обнаружения света низкой интенсивности, поскольку он сохраняет характеристики низкого темнового тока устройства.
Еще одна область применения – светоизлучающие диоды (LED). Как и многие из перечисленных здесь технологий, пьезофототронные светодиоды для эффективного функционирования основаны на эффективной инжекции, рекомбинации и извлечении носителей. Как и в других областях, пьезофототронный эффект может повысить эффективность светодиода. Это связано с тем, что ширина зоны обеднения (образующейся при рекомбинации) и внутреннее поле уменьшаются во время прямого смещения напряжения. Кроме того, ток инжекции и интенсивность излучения света при том же прямом напряжении увеличиваются, когда устройство напрягается, а пьезофототронный материал создает пьезопотенциал.
Пьезофототронные материалы имеют много общих характеристик с пьезотронными материалами, и хотя они обладают теми же свойствами пьезопотенциала, которые помогают модулировать носители заряда и электрические токи на различных полупроводниковых поверхностях, свойства фотовозбуждения и фоточувствительности материалов делают их подходящими для ряда оптоэлектронных устройств. Генерация пьезоэлектрических зарядов с помощью одномерных полупроводниковых нанопроводов предлагает новые способы улучшения и управления свойствами солнечных элементов, светодиодов и фотодетекторов.
© digitrode.ru