3.5.2. Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект наблюдается в фотоэлементах, которые служат для преобразования световой (лучистой) энергии в электрическую (в солнечных батареях, вентильных элементах).

В основе устройства ФЭ лежит р-n переход (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Устройство ФЭ

Когда лучистый поток падает на прозрачную для него верхнюю часть фотоэлемента, и если энергия фотонов W_Ф ≥ W_g полупроводника, то в верхней части будут образовываться электроны и дырки. Они диффундируют вглубь полупроводника, подходят к р-n переходу и здесь происходит их разделение. Неосновные носители заряда (для верхней области) втягиваются в нижнюю часть полупроводника, свободно проходя через потенциальный барьер, а основные носители заряда не проходят и скапливаются в верхней части. Таким образом вверху скапливается один тип носителей, внизу – противоположный тип. Любое скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле. Это и будет фотоэлектродвижущая сила, которая используется как источник электрической энергии.

На этом принципе работают солнечные батареи, вентильные элементы – возобновляемые источники энергии.

Для изготовления фоторезисторов используются различные полупроводниковые соединения, типа PbS, CdS и др.

Для изготовления фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую, обычно используются полупроводники, имеющие ширину запрещенной зоны: 1 эВ < W_g < 3 эВ; это Si, Se, GaAs и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет фотоэффект?

2. При каких значениях энергии фотона возникает фотопроводимость?

3. Поясните спектральную характеристику полупроводника.

4. Как можно преобразовать световую энергию в электрическую?

5. Поясните интегральную характеристику фоторезистора.

3.6. Классификация полупроводниковых материалов

Приведем классификацию полупроводников по химическому составу и структуре материалов.

1. Элементарные атомарные кристаллические материалы: кремний (Si), германий (Ge), селен (Se), фосфор (P), теллур (Те).

2. Полупроводниковые кристаллические (алмазоподобные) соединения, типа:

А¹В⁷ – CuCl, AgCl и др.

А²В⁶ – PbS. CdS…

А³В⁵ – GaAs, InSb…

А⁴В⁴ – SiC, GeSi…

3. Молекулярные неорганические полупроводники: Те₂, Se₂…

4. Оксиды, теллуриды, фосфиды, селениды, карбиды –

NiO, MgO, CuO, SiC, PbS и др.

5. Стеклообразные полупроводники: халькогенидные стекла –

As₂Te₂Se, As₂Se₃∙Al₂Se₃.

6. Органические полупроводники:

а) ароматические углеводороды – антрацен, нафталин и др.

б) красители и пигменты – краска индиго, хлорофилл и др.

в) комплексы с переносом зарядов (донорно - акцепторные системы): бром-антрацен, иод-пирен.

Ниже приведена таблица 3.1 некоторых групп полупроводниковых материалов. В таблицу помещены основные параметры конкретных полупроводников.

Полупроводниковые материалы

Таблица 3.1

№ п/п	Наименование полупроводни- кового материала	Хими- ческий индекс	Ширина запрещ. зоны Wg, эВ	Концен- трация собствен. носителей заряда ni, м-3	Подвижность носителей заряда U,		Темпе- ратура плавл., °С	Удель- ное элект- рич. сопро- тивле- ние ρ, Ом∙м
					электр. Un	дырок Up
Неорганические Кристалл. элементарные (атомарные)
1	Германий	Ge	0,72	2,5∙1019	0,39	0,19	936	− 0,5
2	Кремний	Si	1,12	6,8∙1016	0,14	0,05	1417	−2∙103
3	Селен	Se	1,7	1010	—	2∙10-3	220
Кристалл. соединения
4	Карбид кремния	SiC	2,8	10	0,1	0,005	2200 возгонка
5	Сурьмянистый индий	InSb	0,18	1022	7,8	0,08	525
6	Арсенид галлия	GaAs	1,4	1012	0,85	0,04	1240
7	Фосфид галлия	GaP	2,25	—	0,011	0,0075	1500
8	Арсенид индия	InAs	0,36	—	4	0,06	940
9	Теллурид висмута	Bi2Te3	0,16	—	0,057	0,04	570
10	Сульфид свинца	PbS	0,4	—	0,04	—	1114
Стеклообразные
11	Халькогениды	As2Te2Se,As2Se3∙Al2Se3		1,7∙1021	0,015	—	—	108 1010
Органические
12	Антрацен	—	1,6	—	—	—	—	1012
13	Нафталин	—	1,4	—	—	—	—	1014
14	Красители и пигменты Фталоцианин меди	—	1,7	—	—	—	—	1011
15	Молекулярные комплексы Иод-пирен	—	0,14	—	—	—	—	1,3
16	Полимеры Полиакрилонитрил	—	0,75	—	—	—	—	140