Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Исследование полупроводников. Практикум
.pdf
21
В результате такого процесса в n- и р-областях накапливаются избыточные основные носители, n-область заряжается
отрицательно, а р-область – положительно; между контактами
1 и 2 возникает разность потенциалов, которую называют фотоЭДС. С увеличением светового потока Ф фотоЭДС растет по нелинейному закону (рис. 13). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта.
Явление возникновения под действием электромагнитного излучения электродвижущей силы между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости, разделенными p-n-переходом, называется вентильным фотоэф-
фектом.
Рассмотрим p-n–переход в отсутствии света и внешнего
напряжения (см. рис. 9, а), т.е. в состоянии равновесия. Через
переход протекают два небольших, равных по величине и противоположных по направлению тока: основных носителей и
неосновных носителей; суммарный ток через переход равен
нулю.
При освещении p-n–перехода за счет генерации пар дополнительных носителей заряда между внешними контактами
возникает разность потенциалов
хх
U
, называемая напряжени-
ем холостого хода.
При замыкании цепи (рис. 14)
на нагрузочном сопротивлении R
появится напряжение, а через переход будут протекать три тока: ток
основных носителей
kT
eU
os
eI
, ток не-
основных носителей
os
I
и фототок
ф
I
. Фототок обусловлен движением
неосновных носителей – фотоэлектронов и фотодырок, возникших в
полупроводнике под действием
света.
p
n
+
-
R
I
свет
Рис. 14
22
Полный ток I через p-n–переход (т.е. в цепи) равен алгебраической сумме всех трёх токов. Поскольку токи
os
I
и
ф
I
направлены противоположно току основных носителей,
фos
kT
eU
os
IIeII
. (1)
Этот ток течет через нагрузку R, на которой выделяется электрическая энергия. Таким образом, p-n–переход становится
источником тока, в котором световая энергия преобразуется в
электрическую.
Из выражения (1) следует:
kT
eU
os
ф
e
I
II
1
.
Прологарифмируем полученное уравнение и выразим
величину U:
( 1) ( 1)
фф
os os
I I I I
eU kT
n U n
I kT e I
. (2)
Проанализируем полученное выражение. Фототок
ф
I
пропорционален световому потоку Ф, падающему на фотоэлемент:
ф
I Ф
, (3)
где – коэффициент пропорциональности.
Ток I зависит от
ф
I
и сопротивления нагрузки R. Если
внешняя цепь разомкнута (при
R
),
0I
. Существую-
щее в этот момент на контактах фотоэлемента напряжение
называется напряжением холостого хода, обозначается
хх
U
и
фактически представляет собой фотоЭДС,
хх
U
. Как следу-
ет из формулы (2),
( 1)
ф
хх
os
I
kT
Un
eI
. (4)
23
В соответствии с (4) и (3) фотоЭДС
хх
U
логарифми-
чески (т.е. слабо) растет с увеличением фототока
ф
I
(и свето-
вого потока Ф, рис. 13).
При коротком замыкании, когда
0R
, все генерированные светом носители сразу поступают во внешнюю цепь, не
накапливаясь на контактах фотоэлемента, т.е.
0U
. Ток ко-
роткого замыкания, текущий при этом в цепи, согласно (1),
равен:
ффosфosзк
IIIIeII )11()1(
0
..
, (5)
т.е. численно равен фототоку.
На рис. 15 представлены две вольтамперные характеристики p-n–перехода: кривая 1 – для неосвещенного p-n–
перехода (темновая), кривая 2 – для освещенного перехода;
рабочий режим фотоэлемента соответствует выделенному
участку кривой 2.
Выделенный участок представляет собой вольтамперную
характеристику фотоэлемента, которую можно получить экспериментально, изменяя значение R от нуля до бесконечности.
Вольтамперные характеристики идеального фотоэлемента при различных световых потоках (
1 2 3
Ф Ф Ф
) принято
изображать, как показано на рис. 16 (по оси ординат – обратный ток). Принципиальная схема фотоэлемента приведена на
рис. 17.
I
U
0
Рис. 16
1
2
3
прям
U
обр
U
обр
I
..зк
I
2
Рис. 15
..хх
U
прям
I
24
Рис. 17
В настоящее время важное значение имеют кремниевые
фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей (солнечных элементов). Они преобразуют энергию
солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В.
Из таких элементов путем последовательного и параллельного
соединений создаются солнечные батареи, которые обладают
сравнительно высоким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт.
Элемент солнечной батареи представляет собой пластинку кремния n-типа, окружённую тонким слоем кремния p-
типа толщиной около одного микрона с контактами для присоединения к внешней цепи.
Солнечная батарея – это устройство, непосредственно
преобразующее энергию солнечного света в электрическую
энергию. Для того чтобы использовать полученную электрическую энергию, в цепь батареи необходимо включить нагрузочное сопротивление R, на котором будет выделяться полезная мощность
R
U
IUP
2
, (6)
где I – сила тока в цепи солнечной батареи;
IRU
– паде-
ние напряжения на нагрузочном сопротивлении R.
Согласно закону Ома,
I
Rr
, (7)
где I – сила тока; R – сопротивление нагрузки; r – внутрен-
нее сопротивление батареи.
25
В режиме короткого замыкания, когда сопротивление
нагрузки равно нулю (
0R
), все создаваемое напряжение па-
дает на внутреннем сопротивлении. При этом через батарею
течет максимально возможный ток короткого замыкания
..кз
I
r
.
Как видно из формул (6) и (7), при постоянном световом
потоке значения I, U и P определяются величиной сопротивления нагрузки R.
На практике нагрузочное сопротивление подбирается таким образом, чтобы выделяемая на нем мощность достигала
максимального значения
m
P
. При этом коэффициент полезно-
го действия (КПД) солнечной батареи имеет максимальное
(для данного светового потока) значение, а нагрузочное сопротивление называется оптимальным и обозначается
опт
R
.
Как показывают теоретические расчеты, полезная мощность P максимальна, когда сопротивление нагрузки равно
внутреннему сопротивлению батареи,
rR
. Докажем это.
Полезная мощность, т.е. мощность, расходуемая на
нагрузке,
2
2
2
)( rR
R
RIUIP
. (8)
Поскольку для данного светового потока Ф значения
и r солнечной батареи являются постоянными величинами, P
является функцией внешнего сопротивления,
)(RfP
.
Для выяснения условия, при котором P будет максимальной, исследуем функцию (8) на экстремум:
0
dR
dP
.
3
2
)(
)2(
rR
RrR
dR
dP
,
rRRrR 02
, (9)
26
т. е. полезная мощность P максимальна, если внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению солнечной батареи:
m
РP
, если
опт
R R r
.
Коэффициент полезного действия солнечной батареи
равен отношению максимальной полезной мощности
m
P
к па-
дающему световому потоку.
Световой поток определяется как мощность оптического
излучения по вызываемому им световому ощущению (по его
действию на селективный приёмник света с заданной спектральной чувствительностью); измеряется в люменах (лм).
Освещённость Е равна отношению светового потока Ф,
падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:
Ф
E
S
. (10)
Освещённость измеряется в люксах (лк). 1 лк – освещённость поверхности, на 1 м2 которой падает световой поток в 1
лм: 1 лк=1 лм/м2.
Если свет падает перпендикулярно освещаемой поверхности, освещенность, создаваемая точечным источником, выражается формулой
2
r
J
E
, (11)
где J – сила света источника, измеряемая в канделах (кд); r –
расстояние между источником и поверхностью.
Таким образом, световой поток Ф, падающий на поверхность S, равен произведению освещённости и площади этой
поверхности:
Ф Е S
. (12)
Световой поток Ф определяется как мощность оптического излучения. Опытным путем было установлено, что световому потоку 1 лм, образованному излучением с длиной волны
нм555
, соответствует поток энергии в 0,0016 Вт. Ве-
личина
0016,0А
Вт/лм называется механическим эквивален-
том света. Для того чтобы Ф, выраженный в люменах, выразить в ваттах, его необходимо умножить на величину А.
27
Согласно определению ,
100%
т
Р
ФА
. (13)
Многие процессы уменьшают КПД; отметим некоторые
из них:
– свет частично отражается от поверхности, поэтому для
уменьшения отражения солнечные элементы покрывают интерференционным просветляющим слоем;
фотоны, энергия которых недостаточна для внутрен-
него фотоэффекта, не дают вклада в электрическую энергию;
часть генерированных под действием света пар элек-
трон-дырка рекомбинируют, не участвуя в фототоке;
часть мощности теряется при прохождении тока через
полупроводник за счет его собственного сопротивления.
Согласно теории, солнечные батареи на основе кремния
имеют не более 20%, а на практике – менее 10%.
Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов – это
основные источники питания на искусственных спутниках
Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях
и др. Солнечные батареи располагаются на приборноагрегатном отсеке космического корабля в виде крыльев, разворачиваемых во время орбитального полёта. Практические
применение солнечных батарей непрерывно расширяется.
28
Лабораторная работа Э28
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Цель работы: изучение зависимости сопротивления
полупроводника от температуры и определение энергии активации.
Оборудование: блок питания (ВУП–2М), термистор,
нагреватель, термометр, мультиметр, соединительные провода.
Краткая теория
Терморезистор (термистор) – высокоточный полупро-
водниковый прибор, принцип действия которого основан на
зависимости сопротивления полупроводников от температуры.
При комнатной температуре сопротивление термисторов
лежит в интервале от нескольких Ом до десятков МОм. Термисторы имеют вид цилиндрических стержней, трубок, прямоугольных столбиков или тонких нитей, помещенных в баллончики из стекла, керамики или металла (в последнем случае
необходима изоляция). Они широко используются в устройствах для измерения температуры в потоках газов и жидкостей, быстрой сигнализации о перегреве отдельных частей агрегатов и т.п. Для изготовления термисторов используются
оксидные полупроводники (смесь двуокиси титана с окисью
магния, окиси никеля с окислами марганца).
С ростом температуры сопротивление собственного полупроводника уменьшается:
kT
W
AeR
2
, (1)
где A – некоторая константа для данного полупровод-
ника;
T
– температура по шкале Кельвина,
КэВКДжk /10625,8/1038,1
523
– постоянная
Больцмана; W – энергия активации.
29
В химически чистых полупроводниках
W
равна ши-
рине запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.
Энергию активации
W
можно определять различными
способами.
Способ I
В соответствии с формулой (1) результаты измерения
сопротивления термистора при двух различных температурах
m
T
и
n
T
можно представить в виде:
m
kT
W
m
AeR
2
;
n
kT
W
n
AeR
2
.
Взяв отношение этих выражений и прологарифмировав,
можно получить формулу для экспериментального определения энергии активации W:
)
11
(
2
nm
TTk
W
n
m
e
R
R
,
( ) 2
2 ( )
m n m m n m
n m n n m n
R T T kT T R
W
n W n
R k T T T T R
. (2)
Способ II
Прологарифмируем выражение (1):
1
2
W
nR nA
kT
.
Поскольку величины
kWA ,,
–
некоторые константы, изменение значения
nR
обусловлено только изме-
нением значения
T/1
(рис. 1):
1
( ) ,
2
W
nR
kT
2 ( )
(1/ )
k nR
W
T
. (3)
T/1 nR
nA
Рис. 1
)/1( T
()nR
30
Описание экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки представлена на
рис. 2. Термистор 1, соединенный с мультиметром 2, помещен
в нагреватель 3, металлическая часть которого находится внутри керамического корпуса. Питание нагревателя осуществляется от
источника переменного
тока (клеммы 6,3 В
блока питания 4).
Внутрь нагревателя помещается датчик 5 цифрового термометра 6. Блок питания 4 и мультиметр 2 подключаются к сети.
Порядок выполнения работы
1. Подключить к сети блок питания и мультиметр; муль-
тиметр используется как омметр с пределом измерения
20 кОм.
2. Через каждые 50С снимать показания мультиметра
(в интервале от комнатной температуры до 600); данные занести в табл. 1.
3. Отключить экспериментальную установку от сети.
4. В табл. 1 перевести значения температуры в шкалу
Кельвина:
273
0
CtT
.
Задание 1. Построить градуировочную кривую терми-
стора.
1. По данным табл. 1 построить график зависимости
)(TfR
.
2. Сделать вывод о степени соответствия построенного
графика с теоретической зависимостью
)(TR
, описываемой
формулой (1).
Рис. 2
1 2 3 4 5 6 6.3 В
0
t
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]