Лабораторная работа № 58

Цель работы:

1. Ознакомиться с явлением вентильного фотоэффекта.

2. Исследовать характеристики вентильного фотоэлемента.

Теоретическое введение

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в выпрямляющем контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р-n переходе.

В области границы раздела полупроводников р -типа и n -типа образуется так называемый запирающий слой, обедненный основными носителями заряда - электронами со стороны электронного полупроводника и дырками - со стороны дырочного полупроводника. Ионы донорных и акцепторных примесей этого слоя соответственно 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.

При освещении р-n перехода, например, со стороны р -области светом, энергия кванта которого достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы р-n перехода образуются так называемые фотоэлектроны и фотодырки (внутренний фотоэффект). Образовавшиеся в р -области носители участвуют в тепловом движении и перемещаются в различных направлениях, в том числе и к р-n переходу. Однако из-за наличия контактной разности потенциалов дырки не перейдут в n -область. Электроны же, напротив, будут затягиваться полем в n -область (рисунок 1).

Если цепь фотоэлемента разомкнута (R н = ∞ , режим холостого хода), то накопление фотоэлектронов в n -области и фотодырок в р -области приводит к появлению дополнительной разности потенциалов между электродами фотоэлемента. Эта разность потенциалов носит название фото-ЭДС (U ф хх ). Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно происходит понижение высоты потенциального барьера на величину возникшей фото-ЭДС. Уменьшение же высоты потенциального барьера или уменьшение результирующей напряженности электрического поля ухудшает "разделительные" свойства p-n перехода.

Если замкнуть электроды фотоэлемента накоротко (R н = 0), то образованные светом носители заряда будут циркулировать в цепи фотоэлемента, создавая фототок короткого замыкания I ф кз. Величина фото-ЭДС холостого хода U ф хх и сила фототока короткого замыкания I ф кз определяются концентрацией образованных светом носителей заряда, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотоэлемента Е .

Зависимости фототока I ф кз и фото-ЭДС U ф хх от освещенности фотоэлемента E (или от светового потока Ф = E∙S , где S - площадь приемной поверхности фотоэлемента) называются световыми характеристиками фотоэлемента (рисунок 2).

Из сказанного выше следует, что вентильный фотоэлемент позволяет осуществить непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую. Для того, чтобы использовать полученную электрическую энергию, нужно включить в цепь фотоэлемента нагрузочное сопротивление R н. На этом сопротивлении будет выделятся полезная мощность

P = I∙U = I 2 ∙R н, (1)

где I - сила тока в цепи фотоэлемента (I < I ф кз ), А,

U - напряжение на контактах фотоэлемента (U< U ф хх ), В.

Сила тока I , напряжение U , а следовательно, и мощность P при постоянной освещенности определяется величиной нагрузочного сопротивления R н. Изменяя сопротивление R н от ∞ до 0, можно получить зависимость U(I) , которая носит название нагрузочной характеристики вентильного фотоэлемента (рисунок 3).

Уменьшение напряжения на выводах фотоэлемента с ростом тока нагрузки связано с потерей напряжения на внутреннем сопротивлении фотоэлемента. В режиме короткого замыкания, когда R н равно нулю, все развиваемое фотоэлементом напряжение U ф хх падает на внутреннем сопротивлении, и напряжение на выходе фотоэлемента также равно нулю.

На практике нагрузочное сопротивление подбирают таким образом, чтобы выделяемая на нем мощность была максимальной. При этом максимального (для данной освещенности) значения достигает и коэффициент полезного действия вентильного фотоэлемента, который определяется соотношением

η = P∙ Ψ / Ф = P∙ Ψ / (E∙S), (2)

где Ψ- так называемая световая отдача, которая для волны длиной λ = 535 нм равна 628 лм/Вт.

Вентильные фотоэлементы изготовляют из селена, кремния, германия, сернистого серебра и других полупроводниковых материалов. Они находят широкое применение в автоматике, измерительной технике, счетно-решающих механизмах и других устройствах. Например, селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых близка к спектральной чувствительности человеческого глаза, используются в фотометрических приборах (экспонометрах, фотометрах и др.).

Кремниевые фотоэлементы находят широкое применение в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. КПД кремниевых фотоэлементов составляет ≈ 12 %. Большое количество фотоэлементов, соединенных между собой, образуют солнечную батарею. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность - десятков киловатт. Солнечные батареи служат основным источником энергопитания космических летательных аппаратов.

Описание установки

Кремниевый вентильный фотоэлемент представляет собой вырезанную из монокристалла пластинку кремния n -типа, на поверхности которой путем прогрева при температуре примерно равной 1200 0 C в парах BCl 3 сформирована тонкая пленка кремния р -типа. Фотоэлемент закреплен на оптической скамье, по которой передвигается источник света. Изменяя расстояние между поверхностью фотоэлемента и источником света, можно менять освещенность фотоэлемента. Значение освещенности E (l ), соответствующее расстоянию l между осветителем и фотоэлементом, определяется по градуировочной ривой (рисунок 5).

Солнечная батарея – устройство для непосредственного преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В основе работы солнечной батареи лежит вентильный фотоэффект (ВФЭ) . Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС (фотоЭДС) при освещении структуры, состоящей из разнородных элементов. Составляющими такой структуры могут быть металл и полупроводник (контакт Шоттки); два полупроводника с различным типом проводимости (p - n переход); два полупроводника, различных по химическому составу (гетероструктура). Впервые это явление было обнаружено Л.Грюндалем и, независимо от него, Б.Ланге в 1930г. [УФН, 1934] в контактах Шоттки на основе металлической меди и закиси меди (Cu - Cu 2 O ) . Однако коэффициент полезного действия таких устройств составлял всего несколько процентов, поэтому широкого применения они тогда не нашли. Практическое применение солнечные батареи (СБ ) получили, когда на смену контактам Шоттки пришли сначала германиевые, затем кремниевые фотоэлементы с p - n переходом, имеющие существенно более высокий к.п.д. В первую очередь солнечные батареи были использованы в качестве электрических генераторов на космических аппаратах. Уже третий искусственный спутник Земли (1958г.) снабжался энергией от солнечных батарей. В настоящее время СБ выпускаются промышленностью, имеют мощность в десятки киловатт, а к.п.д. батарей на основе гетероструктур из новых полупроводниковых материалов достигает 30%.

Физические основы вентильного фотоэффекта

В основе вентильного фотоэффекта – два фундаментальных явления:

Внутренний фотоэффект – генерация неравновесных носителей заряда при облучении полупроводника электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для такой генерации (см. работу «Внутренний фотоэффект в однородных полупроводниках»). Максимальный к.п.д. солнечных батарей возможен только в случае «собственной фотопроводимости», т.е. ситуации, когда при поглощении кванта света происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости и появляется пара неравновесных носителей заряда – электрон и дырка.

Но эти неравновесные носители заряда пространственно не разделены и фотоЭДС не возникает, пока электрон и дырка не будут разнесены в пространстве. Эту функцию выполняет контакт между полупроводником и металлом (контакт Шоттки) или между полупроводниками (p - n переход, гетероструктура)

Рассмотрим процесс разделения неравновесных носителей заряда на p - n переходе. На рис.1 показана типичная конструкция вентильного фотоэлемента с p - n переходом (фотодиода), а на рис.2 – включение фотоэлемента во внешнюю цепь.

При освещении p –области излучение поглощается в ней и генерирует электронно-дырочные пары. Поскольку концентрация тех и других носителей максимальна у поверхности, они диффундируют вглубь p –области, к p - n переходу. Электроны (неосновные носители в р -области) перебрасываются контактным полем в n -область, заряжая ее отрицательно. Для основных носителей заряда (в данном случае это дырки) на границе существует потенциальный барьер, который они не способны преодолеть и поэтому дырки остаются в p - области, заряжая ее положительно. Таким образом, электрическое поле контакта пространственно разделяет неравновесные электроны и дырки, образующиеся под действием света. Попадая в n -область, электроны уменьшают положительный объемный заряд в ней, а дырки, оставшиеся в p –области, уменьшают объемный отрицательный заряд (см. работу «Контактные явления в полупроводниках»). Это равносильно подаче на p - n переход прямого смещения φ , понижающего потенциальный барьер на величину е φ , где е - заряд электрона (рис.3).

Рис.3.Освещенный p - n -переход. Потенциальный барьер и для электронов, и для дырок уменьшается на величину фотоЭДС.

Перемещение электронов через p -n -переход создает фототок - I Ф , которому, поскольку он создается неосновными носителями, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который в фотоэлементах называется током утечки

I у = I s exp (е φ / kT ). (1)

Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей: -I S , основных носителей: I S exp(е φ /kT) и фототок:–I ф . Полный ток через p- n - переход равен

I = I S (exp(eφ/kT) -1) - I ф . (2)

Ток неосновных носителей

, (3)

где и- концентрации неосновных носителей заряда;- диффузионные длины;- коэффициенты диффузии электронов и дырок. Фототокв первом приближении пропорционален освещенности фотоэлементаФ.

Зависимость фотоЭДС вентильного фотоэлемента от внешней нагрузки

Уравнение 2 описывает вольт-амперную характеристику идеального фотодиода. По закону Ома ток во внешней цепи (рис.2) равен

Из (2) и (4) при разомкнутой внешней цепи, т.е. при R →∞, получим для фотоЭДС (фотоЭДС «холостого хода»)

Если же сопротивление нагрузки мало ( R →0), то ток короткого замыкания будет просто равен фототоку I кз = I Ф. Внешний вид вольт-амперной характеристики идеального вентильного фотоэлемента приведен на рис. 4.

Рис.4. Вольт-амперная характеристика кремниевого фотоэлемента. Точка а на рисунке соответствует работе с оптимальной внешней нагрузкой (с наибольшей мощностью фотоэлектрического генератора)

Как следует из ф.2,4 и рис.4 при увеличении сопротивления нагрузки фотоЭДС увеличивается, достигая в пределе значения φ ХХ , а фототок уменьшается. Мощность, отдаваемая фотоэлектрическим генератором во внешнюю цепь, равна I ф · φ. При оптимальном выборе сопротивления внешней цепи эта мощность будет максимальной (рис.4).

Как следует из рис.3, максимальная величина фотоЭДС не может превышать величину φ макс ≈ E g / e , где E g – ширина запрещенной зоны полупроводника. Фактически, в силу ряда причин, не учтенных нами в первом приближении, максимальная величина фотоЭДС будет составлять примерно 2/3· E g / e . У фотоэлементов из кремния (Si) с шириной запрещенной зоны E g ≈ 1 эВ она будет равна φ макс ≈600 мВ, фотоэлементов из германия (Ge) φ макс ≈400 мВ, фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs) φ макс ≈ 1 В. Для получения больших напряжений фотоэлементы подключают последовательно друг другу, для получения больших токов – параллельно, формируя, таким образом, солнечную батарею (рис.5,6).

ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ

фотоэффект в запирающем слое, - возникновение под действием электромагнитного излучения электродвижущей силы (фотоэдс) в системе, состоящей из двух контактирующих разных ПП или из ПП и металла. Наибольший практич. интерес представляет Ф. в. в р - я-переходе и гетеропереходе. Ф. в. используют в фотоэлектрич. генераторах, в ПП фотодиодах, фототранзисторах и т. д.

• - Б., при котором проходимость бронха сохраняется в фазе вдоха н полностью нарушается в фазе выдоха...

  Большой медицинский словарь

• - разрядник, предназначенный для защиты изоляции электрооборудования от атм. и коммутац. перенапряжений; представляет собой ряд искровых промежутков, последовательно с к-рыми включены нелинейные резисторы...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - электропривод, в к-ром для питания двигателя и регулирования его угловой скорости используется преобразователь на управляемых электрич. вентилях...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - устройство для преобразования электрического тока с помощью электронных или ионных вентилей электрических...
• - Разрядник, предназначенный для защиты электрооборудования сетей переменного тока от различных перенапряжений...

  Большая Советская энциклопедия

• - испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым...

  Большая Советская энциклопедия

• - группа явлений, связанных с "освобождением" электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения...

  Современная энциклопедия

• - электропривод, в котором регулирование режима двигателя производится с помощью управляемых вентильных преобразователей: выпрямителя, преобразователя частоты, регулятора постоянного...
• - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела под действием электромагнитного излучения. Различают:..1) внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света, ?-излучения и др.;....

  Большой энциклопедический словарь

• - ...
• - ВЕ́НТИЛЬ, -я, м. ...

  Толковый словарь Ожегова

• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - в"...

  Русский орфографический словарь

• - ...

  Формы слова

• - прил., кол-во синонимов: 1 клапанный...

  Словарь синонимов

"ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ" в книгах

Вентильный электропривод