Методика эксперимента

Принципиальная схема установки для измерения диффузионной длины фотогальваномагнитным методом показана на рис. 4.

Свет от кинолампы 0 проходит щель Щ, конденсор К, водяной фильтр Ф и фокусируется на образец. Свет прерывается модулятором М с частотой около 400 гц. Напряжение ФГМ эффекта и ФП поступает на вход усилителя 28-И. Выходной микровольтметр усилителя вынесен на переднюю панель установки.

Компенсация ФГМ эффекта осуществляется с помощью показанного на схеме потенциометра «ток компенсации»; при этом ток определяется по микроамперметру.

Error: Reference source not found

Рис. 4. Схема установки для измерения диффузионной длины методом ФГМ

Задание к работе

1. Снять зависимость величины напряжения ФГМ эффекта от напряженности магнитного поля. Ток компенсации при этом должен быть равен нулю.

2. Снять зависимость напряжения фотопроводимости от постоянного тока смещения через образец. Напряженность магнитного поля при этом должна быть равна нулю.

3. При включенном токе компенсации и магнитной индукции, равной 0,1 Тл, 0,2 Тл, изменением тока компенсаций добиться того, чтобы результирующее напряжение на образце было равно нулю.

4. Рассчитать диффузионную длину и время жизни неравновесных носителей заряда в образце по формуле

,

Контрольные вопросы

1. Сущность эффекта Дембера.

2. Какова должна быть проводимость исследуемого образца?

3. Требование к поверхности образца.

4. Почему в методе ФГМ эффекта электроны и дырки отклоняются магнитным полем в разные стороны?

5. Что такое коэффициент амбиполярной диффузии?

6. Почему при измерении используется компенсационный метод?

7. Почему используется модулированное освещение?

8. Какова частота модуляции?

Лабораторная работа № 8

Исследование свойств кремниевых солнечных батарей Цель и содержание работы

Исследовать вольт-амперные и световые характеристики кремниевых солнечных батарей. Определить параметры, определяющие свойства и пределы применения батарей.

Теоретическое введение

Солнечная батарея – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим p–n-переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Этот полупроводниковый фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии.

В основе принципа действия солнечных батарей лежит такое явление, как внутренний фотоэффект. Внутренний фотоэффект заключается в переходе электронов в объеме освещенного полупроводника в возбужденное состояние (т.е. на более высокие энергетические уровни) без изменения электронейтральности твердого тела. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в виде изменения концентрации электронов проводимости в полупроводнике при его освещении, т.е. в изменении связанных с этим электрических свойств полупроводникового материала. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.

Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с p–n-переходом в качестве выпрямляющего контакта. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в p–n-переходе и областях полупроводника, прилегающих к p–n-переходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в p–n-переходе, производит разделение неравновесных носителей разного знака. Другими словами, с точки зрения энергетической диаграммы p–n-перехода (рис. 1) неравновесные электроны преодолевают потенциальный барьер и попадают в n-область, а дырки, наоборот, в р-область. В результате накопления электронов в n-области и дырок в р-области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов – фотоэдс.

а б

Рис. 1. p–n-переход:

а – в состоянии равновесия, б – при освещении в отсутствие внешнего напряжения

Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с накоплением дырок в p-области и электронов в n-области происходит понижение высоты потенциального барьера на величину возникшей фотоэдс. Очевидно, что q  U_ф должна быть меньше начального (при отсутствии освещенности) значения внутреннего потенциального барьера Е₀, так как разделение носителей возможно при наличии некоторого потенциального барьера. Уменьшение высоты потенциального барьера Е или уменьшение суммарной напряженности электрического поля в p–n-переходе ухудшают разделительные свойства перехода. Таким образом, по мере увеличения освещенности рост U_ф замедляется.

Кроме составляющей фотоэдс, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем p–n-перехода или другого потенциального барьера и которая является основной в фотоэлементах, могут быть и другие составляющие. При освещении полупроводника появляется градиент концентрации электронов и дырок, диффундирующих от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффузии электронов и дырок различны. Поэтому возникает вторая составляющая фотоэдс. Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата носителей одного знака в результате диффузии вглубь полупроводника носителей заряда другого знака возникает третья составляющая фотоэдс.

Эквивалентная схема солнечной батареи показана на рис. 2. Это идеальный p–n-переход (рис. 2, а), служащий источником постоянного тока и соединенный параллельно с p–n-переходом.

а б

Рис. 2. Эквивалентная схема солнечной батареи:

а – схема идеального прибора; б – схема реального прибора

Источник постоянного тока выдает ток IL, величина которого определяется интенсивностью и спектральным составом падающего излучения. Рекомбинация электронно-дырочных пар учитывается величиной тока I₁, протекающего через барьер фотонеактивного диода.

Полная эквивалентная схема учитывает сопротивления, имеющиеся в реальных приборах (рис. 2, б), а именно: последовательное сопротивление R_п, включающее в себя сопротивление контактов металл – полупроводник и сопротивление объема полупроводника; шунтирующее сопротивление R_ш, которое образуется за счет обратного сопротивления p–n-перехода.

При наличии внешнего смещения U, ток I₁ равен:

(1)

где I_s – ток насыщения диода, равный:

Семейство вольт-амперных характеристик определяется током:

(2)

Параметром в этом семействе является световой ток I_L. На рис. 3 приведено семейство вольт-амперных характеристик кремниевого фотоэлемента. Кривая, проходящая через начало координат, соответствует I_L = 0, т.е. является темновой характеристикой фотоэлемента. Чем выше освещенность, тем дальше от начала координат отстоят кривые. Темновая характеристика соответствует прямой ветви ВАХ диода.

При наличии освещения появляется участок ВАХ, расположенный во втором квадранте. На этом участке p–n-переход ведет себя, как

Рис. 3. Семейство ВАХ кремниего фотоэлемента

источник тока, а внешняя цепь – как нагрузочное сопротивление. Различные точки рассматриваемого участка отвечают различным сопротивлениям нагрузки R_н. На рис. 3 изображена нагрузочная часть вольт-амперной характеристики (нагрузочная прямая ОС).

Мощность, выделяемая на нагрузке R_н, соответствует заштрихованной площади:

. (3)

Из (3), полагая I = 0, определяется напряжение холостого хода:

. (4)

Включение фотоэлемента без внешнего источника питания соответствует вентильному режиму работы; включение с внешним источником питания – фотодиодному.

Коэффициент полезного действия определяется как

, (5)

где Р_max – мощность, выделяемая фотоэлементом;

S – площадь поверхности фотоэлемент

W – мощность светового потока (на единицу поверхности).

Интегральная чувствительность фотоэлемента:

(6)

где Ф – интенсивность освещения; I_кз – ток короткого замыкания.