Вентильный фотоэффект (p-n переход при освещении)

Рассмотрим контакт 2–х п.п. с разным типом проводимости, так называемый, p–n переход. При температурах, соответствующих полной ионизации примесей, когда все электроны примеси освободили донорные уровни, а все дырки с акцепторных уровней перешли в валентную зону, концентрация свободных дырок в p-области и свободных электронов в n-области непосредственно вблизи границы раздела становятся значительными. Это приводит к тому, что электроны, вследствие диффузии, начинают перемещаться через границу раздела в p-область, а дырки, в свою очередь, в n-область. Процесс встречной диффузии электронов и дырок сопровождается их активной рекомбинацией. Рекомбинация – это возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону на место, занимаемое дыркой. При этом из процесса электропроводности выпадают сразу два носителя – и электрон, и дырка и сопротивление п.п. увеличивается. Вследствие этого, сама контактная область p-n перехода резко увеличивает свое сопротивление. После ухода электронов из n-области в p-область в n–области возникает слой положительно заряженных ионов донорной примеси (был пятивалентный атом примеси, а когда электрон от него "ушел", то атом стал положительно заряженным ионом, закрепленным в кристаллической решетке, т.е., неподвижным). Аналогичным образом, после ухода дырок в n-область p–область вблизи границы p-n перехода приобретает отрицательный объемный заряд. Это приводит к образованию так называемой контактной разности потенциалов U_k с минусом в п.п. . p–типа и плюсом в п.п. n–типа (рис.3).

Рис.3. Образование контактной разности потенциалов

на p-n переходе

Если теперь осветить область р-n перехода светом с энергией квантов, соответствующих ширине запрещенной зоны , то как вр-, так и в n-области п.п. за счет явления внутреннего фотоэффекта будут одновременно возникать пары свободных носителей заряда - электрон и дырка. Контактная разность потенциалов создает электрическое поле, которое будет «сортировать» эти носители так, что свободные электроны, образовавшиеся в р-области, будут перебрасываться в n-область, а электроны, образовавшиеся в n-области, станут перемещаться вглубь n–области (рис.4). Дырки же из n-области электрическим полем будут перебрасываться в р-область, а образовавшиеся в р- области оттесняться вглубь р-области. На рис.4 пунктиром обозначены запрещенные переходы электронов и дырок. Таким образом, при освещении р-n перехода его n-область зарядится отрицательно, а р-область - положительно, т.е. возникнет ЭДС, получившая название фото – ЭДС . Именно это явление и лежит в основе действия солнечных батарей.

Рис.4. Возникновение фото-ЭДС при освещении p-n перехода

Если на п- и р-области полупроводников нанести металлические контакты, подсоединить внешнюю нагрузку R и осветить р-п переход (рис.4), то через нагрузку потечет ток I , который создаст падение напряжения (1)

Из теории полупроводников известно, что при неизменной температуре фото-э.д.с. вентильного фотоэлемента зависит от величины светового потока (измеряется в люменах - лм).

Таким образом, вентильные фотоэлементы позволяют осуществить прямое превращение лучистой энергии в электрическую. Мощность Р, выделяемая на нагрузке R:

(2)

Оптимальное сопротивление нагрузки R_{нагр.опт} выбирается так, чтобы эта мощность была максимальной , т.е.

(3)

Коэффициент полезного действия фотоэлемента определяется соотношением:

, (4) гдеР  мощность, выделяемая на нагрузке,

S  площадь приемной части фотоэлемента,

  световая отдача источника света (отношение светового

потока к мощности, потребляемой источником света)

указана на рабочем месте.

(5)

Е освещенность приемной части фотоэлемента (измеряется в люксах -лк), J  cила света лампы накаливания (измеряется в канделах - кд),  расстояние между источником света и фотоэлементом.

IV. Экспериментальная часть

Рис.5. Принципиальная схема измерительной установки

1- блок источника питания; 2 - источник света (лампа накаливания); 3 – исследуемый фотоэлемент; 4 - милли­вольтметр с высокоомным входом; 5 - сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений).

В измерительной установке (рис.5) исследуемый вентильный фотоэлемент освещается параллельным пучком света, формируемым осветительным устройством. При выполнении работы расстояние r между осветителем и фотоэлементом (указано на установке) не изменять.

Освещенность фотоэлемента, определяемая по формуле (5), регулируется изменением напряжения на­кала спирали лампы осветителя. Силу света лампы определяют по зависимости силы света от приложенного напряжения (таблица есть на установке).

В качестве нагрузки используется магазин сопротивлений, а падение на­пряжения на сопротивлении нагрузки измеряют милливольтметром с вы­соким входным сопротивлением.