Лабораторная работа №3. Изучение вентильного фотоэффекта

Цель работы:

ознакомление с вентильным фотоэффектом, исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента.

Приборы и принадлежности:

источник света 1, кремниевый вентильный фотоэлемент 2, магазин сопротивления 3, милливольтметр, миллиамперметр.

Теоретические сведения

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т. е. выпрямляющем, контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в p-n-переходе. Такой переход происходит 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. 6.1) расположены на разной высоте, причем в полупроводнике p-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из p-полупроводника А₂ всегда превышает работу выхода из n-полупроводника A₁).

При возникновении контакта (рис. 6.2) происходит обмен носителями тока, в результате которого уровни Ферми выравниваются. В при контактной области образуется так называемый запирающий слой толщиной l_рl_n, обедненный основными носителями тока: электронами со стороны электронного полупроводника, дырками со стороны дырочного полупроводника. Ионы примесей этого слоя создают положительный обьемный заряд в n-области и отрицательный — в p-области. Между p— и n-областями возникает контактная разность потенциалов.

U_К(А₂-А₁)е,.

препятствующая движению основных носителей.

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

Подключение к контакту внешнего напряжения прямой полярности U (плюс со стороны p-полупроводника, минус со стороны n-полупроводника) приводит к уменьшению потенциального барьера запирающего слоя. Число основных носителей, способных проникнуть через p-n-переход, растет, поток не основных 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 диффузий основных носителей возникает большее сопротивление. Через контакт идет ток обратного направления. При не которой величине обратного направления переход основных носителей через контакт прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только не основными носителями, достигает своего насыщения.

Вольтамперная характеристика не освещенного p-n-перехода представлена на рис. 6.3 (кривая 2). Она может быть описана следующим Выражением:

II_S(e^eU/(kT)-1), (6.1).

где I_s — ток насыщения, не освещенного p-n-перехода, k — постоянная Больцмана, e — заряд электрона, T — абсолютная темпера тура, знак «» относится соответственно к прямому и обратному направлению внешнего поля, U — напряжение внешнего поля.

Пусть теперь на полупроводник вблизи вентильного контакта падает свет. Концентрация электронно-дырочных пар, возникающих в результате внутреннего фотоэффекта, уменьшается по мере удаления от освещенной поверхности. В результате диффузии электроны и дырки перемещаются к контактному переходу, где происходит их разделение: основные носители области задерживается контактным полем, не основные — ускоряются и свободно проходят через p-n-переход, образуя фототок I_ф, текущий в обратном направлении.

Если цепь разомкнута, то на границах p-n-перехода накапливается обьемный заряд, препятствующий движению не основных носителей. Возникает фото-ЭДС U_ф, полярность которой обратно полярности контактной разности потенциалов. Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается (рис. 6.4). Это в свою очередь вызывает появления так называемого тока утечки I_y, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.

Замкнем p-n-переход на нагрузочное сопротивление r_н (рис. 6.5). По цепи потечет ток I, который можно представить как сумму двух токов:

II_ф+I_у. (6.2).

Ток утечки I_у рассчитывается по формуле (6.1) для не освещения p-n-перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение U_нIr_н в прямом направлении:

I_уI_S(e^eUн^/(kT)-1).

В режиме короткого замыкания (r_н0) будет U_н0, I_у0, ток I_к.з. внешней цепи равен фототоку, который в свою очередь пропорционален световому потоку Ф:

I_к.з.I_ф; I_фФ. (6.3).

В режиме холостого хода цепь разомкнута, напряжение холостого хода.

U_х.U_ф, I0, I_фI_у.

Из формулы (6.1) получаем:

I_фI_S(e^eUф^/(kT)-1), (6.4).

откуда следует, что.

U_фU_х.х.ln(1). (6.5).

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

Вольт-амперная характеристика освещенного p-n-перехода представлена на рис. 6.3 (кривая 1). Отрезок Oa (U0) соответствует току короткого замыкания, (r_н0) отрезок Оb (I0) — величине напряжения холостого хода (r_н). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ab, который и представляет собой собственно вольтамперную характеристику p-n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке (постоянной освещенности Е). Участок bc характеризирует работу фотоэлемента при подаче на p-n-переход прямого внешнего напряжения, участок ad — обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).

При изменении светового потока, а следовательно, и освещенности вольтамперные характеристики смещаются, форма их изменяется. Семейство вольтамперных характеристик вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 6.6. Прямые, проведенные из начала координат под углом, определяемым величиной сопротивления нагрузки (ctgr_н), пересекают характеристику в точках, абсциссы которых дают падения напряжения на нагрузке, а ординаты — ток во внешней цепи, например U₁I₁r_н. Площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности P₁, выделяемой на нагрузке r_н1:

P₁U₁I₁²r_н1. (6.6).

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

Коэффициент полезного действия фотогальванического элемента определяется соотношением.

PФPES. (6.7).

Где — так называемая световая отдача, которая для волны длиной 555 нм равна 628 лмВт, S — площадь приемной части фотоэлемента.

Описание установки

Кремниевый вентильный фотоэлемент (рис. 6.8) представляет собой пластинку 1 кремния n-типа, вырезанную из монокристалла, на поверхности которой путем прогрева при температуре 1200С в парах BCl₃ сформирована тонкая пленка 2 кремния p-типа. Контакт внешней цепи с p-областью осуществляется через металлическую полоску 3, напыленную на ее поверхности. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки ошлифовывается.

Задание 1.

Снятия вольт-амперных характеристик кремниевого вентильного фотоэлемента.

• 1. Собрать схему, представленную на рис. 6.7.
• 2. Изменяя сопротивление r_н от 0 до, при постоянной освещенности снять значения напряжения и тока.
• 3. Повторить п. 2 для пяти различных освещенностей. (Различные освещенности получаются путем изменения расстояния l фотоэлемента до источника света и рассчитываются по формуле ЕI_свl², где I_св — сила света источника).
• 4. Построить семейство вольтамперных характеристик.

Задание 2.

Исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента.

• 1. Для каждой освещенности из соответствующей вольт-амперной характеристики определить максимальную мощность фототока Р_мах и для этого случая по формуле (6.7) рассчитать КПД фотоэлемента.
• 2. Зная Р_мах для всех освещенностей, рассчитать по формуле (6.6) оптимальные нагрузочные сопротивления r_н.опт. Построить график r_н.оптf(E) для данного вентильного фотоэлемента.
• 3. Построить графики I_к.зf(E); U_х.хf(E).