Вказівки до виконання роботи. Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: власна та домішкова провідність напівпровідників; напівпровідники p- та n- типу; контакт

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: власна та домішкова провідність напівпровідників; напівпровідники p - та n - типу; контакт електронного та діркового напівпровідників (p – n перехід); контакти М - та М – р; контактна різниця потенціалів; фотоелектричні явища у напівпровідниках та їх практичне застосування.

 

Вентильні фотоелементи на основі кремнію, германію, сірчаного срібла тощо широко використовуються в науці і техніці для безпосереднього перетворення енергії світла в енергію електричного струму, а також для реєстрації і вимірювання світлових потоків. Кремнієві і деякі інші вентильні фотоелементи використовують для виготовлення “сонячних” батарей, наприклад, для живлення радіоапаратури штучних супутників Землі. Їхній ККД досягає 10 − 11 %. У даній роботі визначається світлова характеристика фотоелемента ФЕСС-У-10.

Вентильний фотоелемент являє собою металеву пластинку 1, на поверхню якої дифузійним методом нанесений кристалічний напівпровідник n -типу 2 (рис. 6.3.1), вкритий напівпрозорим захисним шаром 3 з того ж металу. Між шаром металу 1 та напівпровідником n -типу 2 утворюється контакт М - n (метал-напівпровідник) із запірним прошарком. Такий же запірний прошарок виникає і на контакті напівпровідника n -типу 2 з металевим покриттям 3. При цьому контактні різниці потенціалів однакові і включені у коло назустріч. Еквівалентна схема вентильного фотоелемента показана на рис. 6.3.2. Виникнення ЕРС на фотоелементі обумовлене явищем внутрішнього фотоефекту в запірному прошарку К 2 при попаданні на нього світла через прозоре металеве покриття 3.

При відсутності опромінювання контактні різниці потенціалів та однакові за величиною. Так як у колі 6.3.2. вони включені назустріч, різниця потенціалів

(6.3.1)

дорівнює нулю і струм через гальванометр відсутній.

При наявності світлового потоку в запірному прошарку К 2 з’являються додаткові носії заряду (фотоелектрони та фотодірки), які знижують контактну різницю потенціалів так, що фотоЕРС за (6.3.1) стає відмінною від нуля. Це зниження відбувається на контакті К 2, енергетична зонна структура якого зображена на рисунку 6.3.3.

Запірний прошарок ∆x ( рис. 6.3.3) для контакту метал-напівпровідник n- типу утворюється тоді, коли робота виходу електрона з металу А _М більша за роботу виходу з напівпровідника n- типу А_n. При цьому виникає рівноважна зовнішня контактна різниця потенціалів :

.

Тобто, метал має надлишковий негативний заряд, а напівпровідник n- типу – позитивний, та виникає контактне електричне поле, вектор напруженості Е _К якого показаний на рисунку 6.3.3.

Квант світла (зображений хвилястою лінією зі стрілкою на рис. 6.3.3) попадає в запірний прошарок через напівпрозорий метал і викликає внутрішній фотоефект, тобто переводить електрон із валентної зони (ВЗ) у зону провідності (ЗП). Внаслідок цього виникають два додаткових носії заряду – дірка у ВЗ та електрон у ЗП. Під дією електричного поля електрон переміщується в область напівпровідника, а дірка, відповідно, у область металу. Це викликає компенсацію надлишкових зарядів, що виникли при утворенні контакту метал-напівпровідник, а з ним і контактної різниці потенціалів .

Неперервний потік таких квантів створює постійне зниження цієї контактної різниці потенціалів так, що фотоЕРС (6.3.1) буде відмінна від нуля, а отже й відмінний від нуля струм у колі.

Світловою характеристикою фотоелемента називається залежність фотоструму I _ф від променевого потоку, що падає на нього I = f (Ф). Однією з характеристик фотоелемента є інтегральна чутливість . Вона чисельно рівна приросту фотоструму при зростанні на одиницю променевого потоку:

. (6.3.2)

Схему установки зображено на рис. 6.3.4. При вимірюванні світлового потоку Ф, що падає на поверхню фотоелемента 2, необхідно змінювати відстань r від фотоелемента до джерела світла 1.

Враховуючи, що сила світла лампи j залишається сталою, потік випромінювання Ф, що падає на поверхню фотоелемента площею S, розраховується за відомим співвідношенням:

, (6.3.3)

де a − кут, який утворює нормаль до поверхні фотоелемента з напрямком світлового потоку; r − відстань від фотоелемента до джерела світла.

Хід роботи

1. Ознайомитись з лабораторною установкою.

2. Встановити фотоелемент так, щоб кут a = 0. Ввімкнути джерело світла. Змінюючи відстань r від джерела світла до фотоелемента (5 − 7 значень), записати показники мікроамперметра I.

3. Повторити операції п.2 для кута a = 60⁰.

4. Значення сили світла джерела j та площі фотоелемента S (вказані на установці) занести до таблиці 6.3.1.

5. За формулою (6.3.3) визначити світловий потік Ф для кожного значення r. Результати вимірювань занести до таблиці 6.3.1.

6. Побудувати світлову характеристику фотоелемента I = f (Ф).

7. На лінійній ділянці цієї характеристики та за допомогою формули (6.3.2) визначити інтегральну чутливість q_i фотоелемента.

Таблиця 6.3.1

№ пор.	r,м	I,А	j,Кд	S,м2	Ф,лм

 

Контрольні запитання

1. Що таке внутрішній фотоефект?

2. Що таке “червона межа” для внутрішнього фотоефекту?

3. Покажіть схематично будову вентильного фотоелемента та поясніть принцип його роботи.

4. Як у вентильному фотоелементі відбувається пряме перетворення світлової енергії в електричну?

5. Що таке спектральна чутливість фотоелемента?

6. Наведіть приклади використання фотоелементів.

7. Які причини обумовлюють низький ККД фотоелементів?