Вентильный фотоэффект

Цель работы: ознакомление с вентильным фотоэлементом, исследование вольт-амперных характеристик его.

Задача: снять семейство вольт-амперных характеристик при различных освещенностях, определить оптимальные нагрузочные сопротивления и оценить КПД фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: источник света, кремниевый фотоэлемент, магазин сопротивлений, милливольтметр, миллиамперметр.

ВВЕДЕНИЕ

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т. е. выпрямляющем, контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р- n-переходе. Такой переход возникает обычно во внутренней области кристаллического полупроводника, где меняются тип легирующей примеси (с акцепторной на донорную) и связанный с этим тип проводимости (с дырочной на электронную).

Если контакт между полупроводниками р - и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 1) расположены на разной высоте: в р-типа ближе к валентной зоне, в n-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из р-полупроводника А2 всегда превышает работу выхода из n-полупроводника А1).

 

Рис. 1. Энергетические схемы n - и р-полупроводников

При возникновении контакта (рис. 2) происходит обмен носителями заряда, в результате которого уровни Ферми выравниваются. В приконтактной области образуется так называемый запирающий слой толщиной lp + ln, обедненный основными носителями заряда: электронами со стороны электронного полупроводника, дырками со стороны дырочного полупроводника.

Рис. 2. Энергетическая схема контакта р - и n-полупроводников

Ионы примесей этого слоя создают положительный объемный заряд в n-области и отрицательный в р-области. Между р - и n-областями возникает контактная разность потенциалов , препятствующая движению основных носителей.

Если в отсутствие освещения закоротить наружные концы двух областей р - n-перехода, то тока в цепи не будет. Это означает, что в состоянии равновесия суммарный ток, созданный движением основных и неосновных носителей через контактный переход, равен нулю.

Подключение к контакту внешнего напряжения прямой полярности + U (плюс со стороны р-полупроводника, минус со стороны n-полупроводника) приводит к уменьшению потенциального барьера запирающего слоя. Число основных носителей, способных проникнуть через р - n-переход, растет, поток неосновных носителей при этом не изменяется. Через контакт идет ток в прямом направлении.

Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним полем запирающего слоя. При этом для тока основных носителей возникает большое сопротивление. Через контакт идет ток обратного направления. При некоторой величине обратного напряжения переход основных носителей через контакт прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только неосновными носителями, достигает насыщения.

J

Вольт-амперная характеристика неосвещенного р - n-перехода представлена на рис. 3 (кривая 2). Она описывается выражением

U

, (1)

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика неосвещенного (кривая 2) и освещенного (кривая 1) р - n-перехода

где JS – ток насыщения неосвещенного р - n-перехода; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; U – внешнее напряжение. Знак «» относится соответст-

венно к прямому или обратному нап-

равлению внешнего поля.

Если освещать фотоэлемент со стороны р-области, то фотоны света, поглощаясь в тонком поверхностном слое полупроводника, будут передавать свою энергию электронам валентной зоны и переводить их в зону проводимости, тем самым образуя в полупроводнике свободные электроны и дырки (фотоэлектроны и фотодырки) в равных количествах. Образованные в р-области фотоэлектроны являются здесь неосновными носителями. Двигаясь по кристаллу, они частично рекомбинируют с дырками. Но если толщина р-области мала, то значительная часть их доходит до р - n-перехода и переходит в n-область полупроводника, образуя фототок Jф, текущий в обратном направлении. Фотодырки так же, как и собственные дырки, не могут проникнуть в n-область, так как для этого они должны преодолеть потенциальный барьер в области р - n-перехода. Таким образом, р - n-переход разделяет фотоэлектроны и фотодырки.

Если цепь разомкнута, то фотоэлектроны, перешедшие в n-область, создают там избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, тем самым заряжая эту часть полупроводника отрицательно. Фотодырки заряжают р-область положительно. Между обеими частями полупроводника возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. Возникшая фото-ЭДС приложена к р - n-переходу в прямом (пропускном) направлении, поэтому высота потенциального барьера соответственно уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление так называемого тока утечки Jу, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.

Если замкнуть р - n-переход на нагрузочное сопротивление rн (рис. 4), по цепи пойдет ток J, который можно представить как сумму двух токов:

J = Jф – Jу. (2)

Рис. 4. Принципиальная схема для снятия вольт-амперной характеристики фотоэлемента

Ток утечки Jу рассчитывается по формуле (1) для неосвещенного р - n- перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение Uн = J rн в прямом направлении:

.

В режиме короткого замыкания (rн = 0) будет Uн = 0, Jy = 0, ток Jк. з внешней цепи равен фототоку, который в свою очередь пропорционален световому потоку Ф:

Jк. з = Jф; ~ Ф. (3)

В режиме холостого хода цепь разомкнута (rн = ), напряжение холостого хода Uх. х = Uф, J = 0, Jф = Jу.

Из формулы (1) получаем

, (4)

откуда следует, что

. (5)

Таким образом, вентильные фотоэлементы позволяют осуществить непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую, поэтому их также называют фотогальваническими элементами.

Вольт-амперная характеристика освещенного р - n-перехода представлена на рис. 3 (кривая 1). Отрезок Оа (U = 0) соответствует току короткого замыкания (rн = 0), отрезок Ов (J = 0) – величине напряжения холостого хода (rн = ). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ав, который и представляет собой собственно вольт-амперную характеристику р - n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке. Участок вс характеризует работу фотоэлемента при подаче на р - n-переход прямого внешнего напряжения, участок аd – обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).

При изменении светового потока вольт-амперные характеристики смещаются, форма их изменяется. Семейство вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 5.

Рис. 5. Семейство вольт-амперных характеристик

Прямые, проведенные из начала координат под углом α, определяемым величиной сопротивления нагрузки (ctg α = rн), пересекают характеристику в точках, абсциссы которых дают падение напряжения на нагрузке, а ординаты – ток во внешней цепи (U1 = J1 r1). Площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности Р1, выделяемой на нагрузке rн1:

. (6)

Оптимальное сопротивление нагрузки rн. опт выбирается так, чтобы эта мощность была максимальной.

Коэффициент полезного действия фотогальванического элемента η определяется соотношением

, (7)

где - световая отдача, которая для волны длиной λ = 555 нм равна 628 лм/Вт; S – площадь приемной части фотоэлемента.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Вентильный фотоэлемент (рис. 6) представляет собой пластинку 1

4

3

1 2

Свет

Рис. 6. Конструкция вентильного фотоэлемента

кремния n-типа, вырезанную из монокристалла, на поверхности которой путем прогрева при температуре ~ 1200 0С в парах ВСl3 сформирована тонкая пленка 2 кремния р-типа. Контакт внешней цепи с р-областью осуществляется через металлическую полоску 3, напыленную на ее поверхность. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки сошлифовывается.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики вентильного фотоэлемента

1.  Изучив данное методическое пособие, внимательно ознакомиться с установкой.

2.  Изменяя сопротивление rн от 10 до 900 Ом, при постоянной освещенности снять 8 – 10 значений напряжения и тока, (расстояние от источника света до фотоэлемента l = 5 см).

3.  Повторить выполнение п. 2 для l = 10 и 15 см.

4.  Построить семейство вольт-амперных характеристик.

Задание 2. Исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента

1.  Для каждой освещенности из соответствующей вольт-амперной характеристики определить максимальную мощность фототока Рmax и для этого случая по формуле (7) рассчитать КПД фотоэлемента. Освещенность Е вычисляется через силу света Jл источника и расстояние l по формуле .

2.  Зная Рmax для всех освещенностей, рассчитать по формуле (6) оптимальные нагрузочные сопротивления rн. опт. Построить график rн. опт = f(E).

3.  Построить графики Jк. з = f(E) и Ux. x = f(E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта?

2.  В чем состоит отличие полупроводника n-типа от полупроводника р-типа?

3.  Как достигается нужный тип проводимости полупроводника?

4.  Нарисуйте энергетическую схему полупроводников n - и р-типа.

5.  Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов р - n-перехода.

6.  Объясните механизм действия р - n-перехода как выпрямителя переменного тока.

7.  Как устроен вентильный фотоэлемент?

8.  Каково назначение вентильного фотоэлемента?

9.  Можно ли вентильный фотоэлемент использовать в качестве детектора ионизирующих излучений?

10.  Где находят применение вентильные фотоэлементы?

11.  Каков механизм возникновения фото-ЭДС вентильного фотоэлемента?

12.  Что такое уровень Ферми?

13.  Назовите несколько причин сравнительно низкого КПД вентильных фотоэлементов.

14.  Назовите преимущество вентильных фотоэлементов как источников электрической энергии перед другими, известными вам.

15.  Каковы трудности широкого использования вентильных фотоэлементов? Перспективы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Трофимова физики. М.: Высш. шк., 19с.

2.  Лабораторный практикум по физике / Под ред. . М.: Высш. шк., 19с.