лабораторная работа о-5 изучение вентильного фотоэффекта

ЛАБ ОР АТ ОР НАЯ Р АБ ОТ А О -5
ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА
ОБОРУДОВАНИЕ: источник света, реохордный мост, микроамперметр
ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Полупроводниками называются вещества, у которых ширина запрещенной зоны составляет не более 2-3 эв. Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под
действием света. Это явление получило название внутреннего эффекта
или фотопроводимости.
Непосредственным результатом поглощения света в полупроводнике является увеличение числа свободных носителей тока. Три типа переходов приводят к появлению фотопроводимости (рис.1).
Зона проводимости
1
2
Донорный
уровень
Акцепторный
уровень
Валентная зона
Рис. 1
В переходах первого типа электроны из заполненной зоны при поглощении фотона переводятся в зону проводимости. В результате этих
переходов образуются свободные электроны и их свободные дырки.
Возникающая при таких переходах фотопроводимость называется
собственной, переходы второго типа происходят при поглощении фотона атомом донорной примеси кристалла, при этом образуются свободные электроны и свободные места на донорных атомах.
Переходы третьего типа возникают, когда при поглощении света
электроны переходят из заполненной зоны на занятые акцепторные
уровни. В результате этого процесса образуются свободные дырки
и электроны, связанные с акцепторными атомами.
1
Фотопроводимость, возникающая в результате двух последних процессов, называется примесной.
Некоторое количество носителей тока присутствует в полупроводниках и при отсутствии света. Часть электронов переводится из заполненной зоны (и донорных уровней) в зону проводимости (и на акцепторные уровни) в результате теплового движения. Количество таких
носителей и вместе с ними проводимость кристалла определяется температурой и быстро увеличивается при нагревании (см. работу 3-04).
В этом случае говорят о равновесных носителях тока и о темновой
проводимости.
Количество носителей тока равно равновесному не только в полной
темноте, но и в тех случаях, когда энергия фотонов недостаточно велика
для того, чтобы вызвать электронные переходы в кристалле. Фотопроводимость появляется лишь в том случае, если частота света не слишком
мала. Пороговая частота, при которой начинается фотопроводимость,
называется красной границей фотоэффекта.
В отличие от тепловой световая энергия запасается электронами полупроводника и практически не изменяет температуры кристаллической
решетки. Поэтому в присутствии света тепловое равновесие между
электронами и решеткой нарушается. Носители тока, возникшие в результате оптической ионизации, являются неравновесными.
Введем понятие энергии Ферми. Максимальная энергия, которую
могут иметь электроны проводимости в металле при Т = 0К, называется
энергией Ферми ( EF ). Наивысший энергетический уровень, занятый
электронами, называется уровнем Ферми.
Для полупроводников физический смысл энергии Ферми не так
ясен. Для переброса электрона в полупроводнике с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается
энергия активации, равная ширине запрещенной зоны. При появлении
электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает
дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок. Уровень Ферми находится
в середине запрещенной зоны.
В полупроводниках с примесями изменяется положение уровня
Ферми. В полупроводниках n-типа он расположен ближе к зоне проводимости, а в проводниках p-типа – к валентной зоне.
2
Если контакт между проводниками р- и n- типа отсутствует, то
уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 2) расположены
на разной высоте.
n
p
Е0
Зона проводимости
EF1
Зона проводимости
Уровень Ферми
Валентная зона
EF2
Уровень Ферми
Валентная зона
Рис. 2
При возникновении контакта происходит обмен носителями тока,
в результате которого уровни Ферми выравниваются. В приконтактной
области образуется запрещающий слой I p  I n , объединенный основными носителями тока: электронами со стороны электронного полупроводника, дырками со стороны дырочного полупроводника. Ионы примесей этого слоя создают положительный объемный заряд в n-области
и отрицательный в p-области. Между p- и n- областями возникает контактная разность потенциалов U k , препятствующая движению основных
носителей (рис. 3).
n
p
Зона
проводимости
eUk
EF2
уровень
Ферми
Зона
проводимости
EF1
Валентная зона
Валентная зона
Рис. 3
3
Если в отсутствии освещения закоротить наружные концы двух областей p-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 p-полупроводника, минус со стороны n-проводника) приводит
к уменьшению потенциального барьера запирающего слоя.
Число основных носителей, способных проникнуть через p-nпереход, поток неосновных носителей при этом не изменится. Через
контакт идет ток в прямом направлении.
Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним полем запирающего слоя. При этом для тока диффузии основных носителей возникает большое сопротивление. Через контакт идет ток обратного напряжения. При некоторой величине обратного напряжения переход
основных носителей через контакт прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только неосновными носителями, достигает своего
насыщения. На рис. 4 (кривая 1) представлена вольт-амперная характеристика неосвещенного перехода.
J
1
2
O
Js
в
JФ
U
а
Jкз
Рис. 4
Освещенный p-n переход (фотодиодный режим)
Пусть теперь на n проводник вблизи p-n контакта падает свет. Концентрация электронно-дырочных пар, возникающих в результате внутреннего фотоэффекта, увеличивается по мере приближения к освещенной поверхности. В результате электроны и дырки перемещаются
4
к контактному переходу, где происходит их разделение: основные носители области задерживаются контактным полем, не основные ускоряются и свободно проходят через p-n переход, образуя фототок I ф , текущий
в обратном направлении (рис. 4, кривая 2).
Если цепь разомкнута, то на границах p-n перехода накапливается
объемный заряд, препятствующий движению не основных носителей.
Возникает фото-ЭДC U ф полярность, которой противоположна полярность контактной разности потенциалов.
Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается (рис. 5).
Это, в свою очередь, вызывает появление так называемого тока утечки,
текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор,
пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.
Возникновение фото-ЭДС в вентильном, то есть выпрямляющем контакте при его освещении называется вентильным фотоэффектом.
n
p
eUk – eUФ
Зона
проводимости
EF2
уровень
Ферми
Зона
проводимости
EF1
Уровень Ферми
eUФ
Валентная зона
Валентная зона
Рис. 5
Замкнем p-n переход на нагрузочное сопротивление (рис.6)
n
p
JФ
Jy
rn
U  Jr n
Рис. 6
5
По цепи потечет ток I, который можно представить как алгебраическую сумму двух токов:
I  Iô  I ó
(1)
В режиме короткого замыкания ( rn  0 ) будет
U í  Irí
(2)
I ó  0,
а ток I к . з , (ток короткого замыкания) внешней цепи равен фототоку,
который, в свою очередь, пропорционален световому потоку Ф
I ê.ç  J Ô
Iô  I ó
.
(3)
В режиме холостого хода цепь разомкнута ( rí   ), напряжение холостого хода
U xx  U ô .
(4)
Таким образом, вентильные фотоэлементы позволяют осуществлять
непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую, поэтому их также называют фотогальваническими элементами (применяют для создания солнечных батарей).
При изменении внешней нагрузки от 0 до  получаем участок ab
(рис. 4 кривая 2), который и представляет собой вольт-амперную характеристику p-n перехода в фотогальваническом режиме при постоянном
световом потоке (постоянной освещенности Е).
При изменении светового потока, а следовательно и освещенности,
вольт-амперные характеристики освещаются, форма их изменяется.
Cемейство вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 7.
Прямые, проведенные из начала координат под углом, определяемым величиной сопротивления ctgα  rn , пересекают характеристику в
точках абсцисс, которые дают падение напряжения на нагрузке, а координаты – ток во внешней цепи. Например, U1  Irn , площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности Р, выделяемой на
нагрузку. Оптимальное сопротивление rn выбирают так, чтобы эта
мощность была максимальной.
6
J
U1

U x x (r n  )
E2
U
E1
E1E2
J1
JФ
rn1
rn=0
Рис. 7
ХОД РАБОТЫ
1. Установите на реохордном мосту нулевое сопротивление.
2. Установите фотоэлемент на расстоянии 20 см от источника света.
3. Включите источник света.
4. Медленно передвигайте фотоэлемент по направлению к источнику света, до тех пор, пока стрелка микроамперметра не покажет фототок величиной 100 мкА. Измерьте расстояние от источника света до
фотоэлемента L 100 , соответствующее току 100 мкА.
5. Снимите зависимость фототока от сопротивления внешней
нагрузки. Для этого сначала установите на реохордном мосту сопротивление 1 кОм и снимите показание с микроамперметра, затем снимите
показания микроамперметра для значений 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 кОм.
6. Заполните таблицу.
Таблица
rn, ком
J, мкА
U=J rn, В
без нагрузки
1
2
3
4
5
7
P=UJ, Вт
Продолжение таблицы
6
7
8
9
10
7. Из таблицы определите оптимальное сопротивление нагрузки rn ,
соответствующее максимальной мощности, выделяемой в цепи.
8. Определите освещенность Е(100) фотоэлемента по формуле:
E100  E0
L20
2
L100
(5)
где Е0 = 1750 лк – освещенность на расстоянии L0=5 см.
9. Найдите световой поток, падающий на фотоэлемент, по формуле:
Ô  E100S ,
где Sô  35 ìì
(6)
 35 106 ì 2  площадь фотоэлемента, соответствующий
оптимальному сопротивлению:
η
2
Pmax
α.
Ô
(7)
ëì
, поскольку Ф = 683 лм, если мощÂò
ность излучения для монохроматического света при  = 5550 A равна
1 Вт.
11. Повторите пункты 4-10 для других начальных значений силы
тока J 2  60 мкА и J 3  50 мкА .
12. Сравните КПД и оптимальное сопротивление нагрузки для
нагрузки для трех начальных значений тока J1  100 мкА , J1  60 мкА ,
J1  50 мкА .
10. Коэффициент α  683
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем отличается собственная и примесная фотопроводимость?
2. Что называется красной границей фотоэффекта?
3. Укажите положение уровня Ферми в полупроводниках n-p-типа.
8
4. Объясните происхождение запирающего слоя в приконтактной
области n- и p-полупроводников.
5. Укажите вид ВАХ неосвещенного и освещенного p-n-перехода.
6. Объясните возникновение фото-ЭДС и тока утечки Jу освещенного p-n-перехода.
7. Что называется вентильным фотоэффектом?
8. Объясните ход ВАХ вентильного фотоэффекта в фотогальваническом режиме.
9. Как в настоящей работе определяется оптимальное сопротивление, соответствующее максимальной мощности выделяемой цепи?
10. Как в настоящей работе вычисляется КПД фотоэлемента?
РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ
9