62

Лабораторная работа № 58

ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы:

1. Ознакомиться  с явлением вентильного фотоэффекта.

2. Исследовать характеристики вентильного фотоэлемента.

Теоретическое введение

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в выпрямляющем контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р-n переходе.

В области границы раздела полупроводников р-типа и n-типа образуется так называемый запирающий слой, обедненный основными носителями заряда - электронами со стороны электронного полупроводника и дырками - со стороны дырочного полупроводника. Ионы донорных и акцепторных примесей этого слоя соответственно создают положительный объемный заряд в n-области и отрицательный - в р-области. Между р- и n- областями возникает контактная разность потенциалов, препятствующая движению основных носителей.

При освещении р-n перехода, например, со стороны р-области светом, энергия кванта которого достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы р-n перехода образуются так называемые фотоэлектроны и фотодырки (внутренний фотоэффект). Образовавшиеся в р-области носители участвуют в тепловом движении и перемещаются в различных направлениях, в том числе и к р-n переходу. Однако из-за наличия контактной разности потенциалов дырки не перейдут в n-область. Электроны же, напротив, будут затягиваться полем в n-область (рисунок 1).

Если цепь фотоэлемента разомкнута (R_н = ∞, режим холостого хода), то накопление фотоэлектронов в n-области и фотодырок в р-области приводит к появлению дополнительной разности потенциалов между электродами фотоэлемента. Эта разность потенциалов носит название фото-ЭДС (U_{ф хх}). Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно происходит понижение высоты потенциального барьера на величину возникшей фото-ЭДС. Уменьшение же высоты потенциального барьера или уменьшение результирующей напряженности электрического поля ухудшает "разделительные" свойства p-n перехода.

Если замкнуть электроды фотоэлемента накоротко (R _н = 0), то образованные светом носители заряда будут циркулировать в цепи фотоэлемента, создавая фототок короткого замыкания I _{ф кз}. Величина фото-ЭДС холостого хода U_{ф хх} и сила фототока короткого замыкания I _{ф кз} определяются концентрацией образованных светом носителей заряда, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотоэлемента Е.

Зависимости фототока I _{ф кз} и фото-ЭДС U_{ф хх} от освещенности фотоэлемента E (или от светового потока Ф = E∙S, где S - площадь приемной поверхности фотоэлемента) называются световыми характеристиками фотоэлемента (рисунок 2).

Из сказанного выше следует, что вентильный фотоэлемент позволяет осуществить непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую. Для того, чтобы использовать полученную электрическую энергию, нужно включить в цепь фотоэлемента нагрузочное сопротивление R_н. На этом сопротивлении будет выделятся полезная мощность

P = I∙U = I²∙R_н, (1)

где I - сила тока в цепи фотоэлемента (I < I_{ф кз}), А,

U - напряжение на контактах фотоэлемента (U< U_{ф хх}), В.

Сила тока I, напряжение U, а следовательно, и мощность P при постоянной освещенности определяется величиной нагрузочного сопротивления R_н. Изменяя сопротивление R_н от ∞ до 0, можно получить зависимость U(I), которая носит название нагрузочной характеристики вентильного фотоэлемента (рисунок 3).

Уменьшение напряжения на выводах фотоэлемента с ростом тока нагрузки связано с потерей напряжения на внутреннем сопротивлении фотоэлемента. В режиме короткого замыкания, когда R_н равно нулю, все развиваемое фотоэлементом напряжение U_{ф хх} падает на внутреннем сопротивлении, и напряжение на выходе фотоэлемента также равно нулю.

На практике нагрузочное сопротивление подбирают таким образом, чтобы выделяемая на нем мощность была максимальной. При этом максимального (для данной освещенности) значения достигает и коэффициент полезного действия вентильного фотоэлемента, который определяется соотношением

η = P∙Ψ / Ф = P∙Ψ / (E∙S), (2)

где Ψ - так называемая световая отдача, которая для волны длиной λ = 535 нм равна 628 лм/Вт.

Вентильные фотоэлементы изготовляют из селена, кремния, германия, сернистого серебра и других полупроводниковых материалов. Они находят широкое применение в автоматике, измерительной технике, счетно-решающих механизмах и других устройствах. Например, селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых близка к спектральной чувствительности человеческого глаза, используются в фотометрических приборах (экспонометрах, фотометрах и др.).

Кремниевые фотоэлементы находят широкое применение в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. КПД кремниевых фотоэлементов составляет ≈ 12 %. Большое количество фотоэлементов, соединенных между собой, образуют солнечную батарею. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность - десятков киловатт. Солнечные батареи служат основным источником энергопитания космических летательных аппаратов.

Описание установки

Кремниевый вентильный фотоэлемент представляет собой вырезанную из монокристалла пластинку кремния n-типа, на поверхности которой путем прогрева при температуре примерно равной 1200⁰C в парах BCl₃ сформирована тонкая пленка кремния р-типа. Фотоэлемент закреплен на оптической скамье, по которой передвигается источник света. Изменяя расстояние между поверхностью фотоэлемента и источником света, можно менять освещенность фотоэлемента. Значение освещенности E(l), соответствующее расстоянию l между осветителем и фотоэлементом, определяется по градуировочной ривой (рисунок 5).

Схема для исследования характеристик фотоэлемента изображена на рисунке 6.

Измерение напряжения на фотоэлементе производится вольтметром PU, измерение тока, отдаваемого фотоэлементом – микроамперметром PA. Если ключ S разомкнут, то фотоэлемент работает в режиме холостого хода, если замкнут – в режиме нагрузки. Величина нагрузки регулируется магазином сопротивлений R. Чем меньше сопротивление магазина, тем нагрузка больше. При R = 0 фотоэлемент работает в режиме короткого замыкания.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Снятие световых и нагрузочных характеристик фотоэлемента.

1. Включить осветитель.

2. Разомкнуть ключом S цепь фотоэлемента (R_н = ∞) и, изменяя расстояние между осветителем и фотоэлементом, снять зависимость фото-ЭДС U_{ф хх} от освещенности E. Результаты измерений занести в таблицу 1.

3. Замкнуть цепь фотоэлемента накоротко (R _н = 0) и снять зависимость фототока I_{ф кз} от освещенности E. Результаты измерений для пяти – семи расстояний l занести в таблицу 1.

Таблица 1

№	l, см	E, лк	Uф хх, мВ	Iф кз, мкА
1
2
3
…

4. Изменяя сопротивление R_н от ∞ до 0, снять зависимость напряжения U на фотоэлементе от тока I, потребляемого нагрузкой, для трёх различных значений освещенности E. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

№	Rн, Ом	Освещённость фотоэлемента E, лк
		100				200				300
		U, мВ	I, мкА	P, нВт	U, мВ		I, мкА	P, нВт	U, мВ		I, мкА	P, нВт
1	∞
2	1∙104
3	1∙103
4	800
5	600
6	400
7	200
8	100
9	50
10	0

5. Построить графики зависимостей U_{ф хх}(Е) и I_{ф кз}(Е) (световые характеристики фотоэлемента).

6. Построить семейство нагрузочных характеристик фотоэлемента.

7. Для каждой нагрузочной характеристики найти максимальные значения мощности Р_max = (I∙U)_max , выделяющейся на нагрузке и КПД фотоэлемента

η_max = Р_max∙Ψ / (Е∙S). (3)

8. Построить графики зависимости η _max и Р_max от освещенности Е.