Цель работы: изучение фотоэлектрических явлений в полупроводниках.

Задача: 1) Снять семейство вольтамперных характеристик и с их помощью определить оптимальные сопротивления нагрузки;

2. Установить зависимость силы фототока от светового потока.

Приборы и принадлежности: источник света 1 с блоком питания света БП-1, кремниевый фотоэлемент 2, магазин сопротивлений 3,милливольтметр 4, миллиамперметр 5 (рис. 7).

Введение

В полупроводниках и диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект. Он заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням.

Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка. (переход 1. Рис.1)

Такие переходы имеют место быть и за счет энергии теплового движения ионов кристаллической решетки. В чистом полупроводнике, зонная модель которого приведена на рис. 1, концентрация свободных электронов в зоне проводимости и концентрация свободных дырок в валентной зоне всегда равны (проводимость электронно-дырочная). В этом случае говорят о собственной проводимости. При нормальных температурах она невелика.

Добавление к чистому кристаллу кремния фосфора в количестве 0,001 атомного процента увеличивает электропроводность более чем в сто тысяч раз.

Этот эффект объясняется тем, что при наличии примесей появляются добавочные энергетические уровни, располагающиеся в запрещенной зоне. Если добавочные уровни появились вблизи нижнего края зоны проводимости (рис. 2, а), электроны с этих уровней будут переходить в зону проводимости без появления свободных дырок.

Так как интервал энергии Е₁ (рис. 2, а), отделяющий добавочные уровни от зоны проводимости, мал по сравнению сЕ (рис. 1), то количество электронов в зоне проводимости может увеличиться на несколько порядков. Примеси такого типа называются донорам, а энергетические уровни, которые они создают в запрещенной зоне, называются донорными уровнями.

Примером донорной примеси могут служить атомы мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку кремния. Кремний – четырех -, а мышьяк – пятивалентный. Это значит, что на наружной оболочке атома кремния четыре, а атома мышьяка – пять электронов. Пятый электрон мышьяка может отщепиться под действием тепловой энергии или энергии излучения. Получившийся положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния и занять его место. В результате этого появляется электрон проводимости (без появления дырки). Полупроводник такого рода будет иметь преимущественно электронную проводимость (n- тип).

Если же в решетку кремния ввести атомы бора или какого-либо другого элемента из третей группы периодической системы, то в запрещенной зоне появляются добавочные уровни вблизи верхнего края валентной зоны (интервал Е₂, рис. 2, б). Тогда электроны из валентной зоны будут переходить на эти добавочные уровни. В валентной зоне появятся дырки, а следовательно дырочная проводимость (p-тип).

При контактировании p- и n- полупроводников свободные дырки из p-области, а свободные электроны из n-области начнут диффундировать в сторону контакта, рекомбинируя друг с другом. Таким образом в приконтактной области образуется слой, обедненный носителями заряда, а на границах этого слоя появляется нескомпенсированный объемный заряд ( - ) в p-области и ( + ) в n-области. Возникшее между ними контактное поле не позволит выравнить концентрации дырок и электронов по всему объему составного тела. Благодаря этому p- n- переход используется в диодном (выпрямляющем) режиме.

Если p-область освещать светом, то в результате внутреннего фотоэффекта будут появляться электронно-дырочные пары, концентрация которых уменьшается по мере удаления от освещенной поверхности. В результате диффузии электроны и дырки перемещаются к контактному переходу, где происходит их разделение: основные носители области задерживаются контактным полем, неосновные – ускоряются и свободно проходят через p- n- переход, образуя фототок I_ф, текущий от n-области к p-области (рис. 3).

Если цепь разомкнута, то на границах p- n- перехода накапливается объемный заряд, препятствующий движению неосновных носителей. Возникает фото-э. д.с. U_ф, полярность которой обратна полярности контактной разности потенциалов. Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление тока утечки I_у, текущего от p-области к n-области (ток основных носителей) (рис. 3). Величина фото-э. д. с. растет до тех пор, пока возрастающий ток I_У не скомпенсирует ток I_ф (наступит состояние статического равновесия).

Рис. 3

Если p-n- переход замкнуть на нагрузочное сопротивление r_н, по цепи потечет ток I, который будет являться суммой двух токов :

I = I_ф – I_у

Рис. 4

I_у определяется величиной U_н = Ir_н, а I_ф пропорционален световому потоку Фпад и равен току короткого замыкания (r=0, U_н=0, I_у=0). I_ф = I_к.з. (рис. 4).

Следовательно ток I, текущий по цепи будет зависеть от светового потока, а следовательно от расстояния l от источника света до фотоэлемента.

Таков механизм непосредственного превращения лучистой энергии в электрическую в вентильном фотоэлементе, называемом также фотогальваническим элементом.

Световые характеристики вентильных фотоэлементов зависят от нагрузки. Пи малой нагрузке I_ф линейно зависит от освещенности. При увеличении нагрузки зависимость становится нелинейной.

Является важным подбор оптимального сопротивления нагрузки для любого источника электрической энергии. Это делается путем подбора режима работы с высоким коэффициентом полезного действия и достаточной полезной мощностью, потребляемой нагрузкой.

В данной работе имеется возможность определить максимальную полезную мощность с помощью вольтамперной характеристики (рис.3). Площадь заштрихованная на рисунке 3, равна мощности, выделяемой на нагрузке r_н1:

P₁ = U₁ I₁ = r_н1 (1)

Оптимальное сопротивление нагрузки r_н.опт. выбирается так, чтобы эта мощность была максимальной. На рисунке 3 качественно показаны две вольтамперные характеристики, соответствующие разным световым потокам Ф₁ > Ф₂.

Рис. 5

Коэффициент полезного действия кремниевых преобразователей солнечной энергии в электрическую порядка 15%. Это позволяет использовать их в качестве источников питания приемной и передающей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и даже в наземных условиях.

Избыточные носители заряда в фотоэлементе могут возбуждаться не только светом, но и быстрыми электронами, а- частицами и - лучами. Поэтому он может быть использован в качестве индикатора радиоактивного излучения, а также для непосредственного превращения энергии радиоактивного распада в электрическую энергию.

Кремниевый фотоэлемент (рис 5) представляет собой пластинку 1 кремния n-типа, на поверхности которой путем прогрева при температуре ~1200 ^оС в парах BCl₃ сформирована тонкая пленка 2 кремния p-типа. Контакт внешней цепи с p-областью осуществлен через металлическую полоску 3, напыленную на ее поверхность. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки сошлифовывается.

Рис. 6

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Установка собрана по схеме рис. 7

1 – источник света

2 - фотоэлемент

3 – магазин сопротивлений

4 - милливольтметр

5 – милиамперметр

Рис. 7

1. Установить расстояние l между источником света и фотопреобразователем ~ 5см.

2. Изменяя сопротивление r_н (магазин сопротивлений) от 0 до 100 Ом с шагом 10 Ом, а от 100 Ом с шагом 100 Ом, снять значения напряжения и тока (данные для построения вольтамперной характеристики). Данные занести в таблицу.

l =см	rн, Ом
	I, мА
	U, мВ
l = 9см	rн, Ом
	I, мА
	U, мВ
l = 12см	rн, Ом
	I, мА
	U, мВ

9. Пункт 2 повторить при l = 7см, 9см,12 см.

10. Построить семейство вольтамперных характеристик.

11. Для каждой освещенности по соответствующей вольтамперной характеристике определить максимальную мощность фототока P_max путем перебора площадей (рис.5)

12. По значениям P_max вычислить по формуле (1) «оптимальное» сопротивление нагрузок.