Порядок выполнения работы. Изучение вентильного фотоэффекта

Изучение вентильного фотоэффекта

Методические указания к лабораторной работе №7 по физике

 

(Раздел «Оптика»)

 

 

Ростов-на-Дону
2011

 

УДК 535.21/075.6

 

 

Составители: к.т.н., доц. А.А. Андрющенко,

к.ф.-м.н., доц. С.М. Максимов,

ст. препод. Н.Г. Последова

 

 

Изучение вентильного фотоэффекта:

Метод. указания. - Ростов н/Д:

Издательский центр ДГТУ, 2010. - 12 с.

 

В краткой форме рассмотрены процессы, протекающие в контактном слое вентильного фотоэлемента.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и ФОИ.

Ил. 3. Библиогр.: 3 назв.

 

 

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

 

 

Научный редактор к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко

 

 

© Издательский центр ДГТУ, 2011

 

Цель работы:

1. Ознакомление с вентильным фотоэффек­том.

2. Исследование вольтамперных характеристик вентильного

фото­элемента.

Приборы и принадлежности: установка для наблюдения вентильного фотоэффекта.

Краткая теория

Полупроводники (п.п.)– это широкий класс веществ, занимающих промежуточное положение по значению удельной электропроводности между металлами и диэлектриками. Главная особенность полупроводников - их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного полей и др.), при этом может изменяться до 10⁸ раз. От металлов полупроводники отличаются характером зависимости проводимости от температуры: у металлов она слабо уменьшается, а у полупроводников – существенно увеличивается с ростом температуры, поскольку носители тока в п.п. имеют тепловую природу (чем выше температура п.п., тем носителей тока больше).

В основе описания свойств полупроводников лежит зонная теория проводимости твердых тел. Энергетический спектр электронов (т.е. значения энергии, которую может иметь электрон в кристалле) имеет зонную структуру. Электропроводность кристаллов определяется степенью заполнения электронами самой верхней, заполненной валентными электронами, зоны разрешенных состояний. Эту зону принято называть валентной зоной. Следующая зона разрешенных состояний электронов называется зоной проводимости. В зонах на каждом уровне, согласно представлениям квантовой механики (принципу Паули) может находиться не более двух электронов. Между валентной зоной и зоной проводимости находится энергетический промежуток, в котором электроны находиться не могут - запрещенная зона (ее энергетическую ширину обычно обозначают как ).

При абсолютном нуле (Т=0) зона проводимости свободна и электропроводность полупроводников равна нулю. Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости; каждый такой электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место, так называемую, дырку, рассматриваемую как эквивалентный электрону положительный заряд ( ). Следовательно, электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне появляются одновременно – парой. Дырка, как и электрон, участвует в электропроводности. Считается, что при наличии электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне полупроводник проводит электрический ток. Проводимость п.п., обусловленная носителями, образовавшимися вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.1) называют собственной проводимостью Введение примеси (порядка 0,01%) изменяет энергетическую структуру п.п., в запрещенной зоне появляются локальные (изолированные) энергетические состояния. Если атом примеси имеет валентность большую, чем атомы п.п. (например, примесь As^V в Ge^IV), то один из электронов примеси оказывается слабо связанным с ядром, и уже при малых энергиях возбуждения он может стать свободным (т.е. перейти в зону проводимости). Поскольку электрический ток в этом случае обусловлен в основном движением именно таких, слабо связанных электронов, то говорят, что п.п. обладает электронной (или n-типа) проводимостью, а примесь называется донорной. Введение в кристаллическую решетку п.п. атомов примеси с меньшей валентностью (например, примесь B^III в Ge^IV) приводит к тому, что атом примеси захватывает один из электронов у атома п.п., который может захватить электрон у соседнего атома – возникает дырка. Электропроводность в этом случае будет дырочной (или p- типа), а примесь - акцепторной. Дополнительные энергетические уровни, создаваемые в запрещенной зоне атомами донорной или акцепторной примесей называют соответственно донорными или акцепторными примесными уровнями. Примесные донорные уровни, на которых находятся электроны, располагаются в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости, а акцепторные, на которых находятся дырки - вблизи от верхней границы валентной зоны (рис.2). Электрическая проводимость, осуществляемая за счет электронов, перешедших в зону проводимости с донорных уровней, а в акцепторном – за счет дырок, возникающих в валентной зоне при переходе электронов из валентной зоны на акцепторые уровни получила название примесной проводимости.

 

	(а ) (б )

 

Аналогичные переходы электронов и дырок можно осуществлять и при освещении п.п. Генерация носителей под действием света может осуществляться следующим образом:
1) кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны, передавая им свою энергию , и переводят их из валентной зоны в зону проводимости, при этом в равной степени возрастает концентрация электронов n и дырок p, т.е., одновременно возникает пара носителей заряда – электрон и дырка. При этом должно выполняться условие: .

2) электроны с донорных уровней забрасываются в зону проводимости, что сопровождается увеличением проводимости n–типа. При этом должно выполняться условие : .

3) электроны из валентной зоны переводятся на акцепторные уровни, что приводит к увеличению проводимости p–типа. При этом должно выполняться условие : .

Дополнительная проводимость п.п., возникающая при его освещении, называется фотопроводимостью, а явление увеличения электропроводности п.п. под действием света – внутренним фотоэффектом.

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).

 

 

Если теперь осветить область р-n перехода светом с энергией квантов, соответствующих ширине запрещенной зоны , то как в р-, 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-ппереход (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) где Р - мощность, выделяемая на нагрузке,

S- площадь приемной части фотоэлемента,

y - 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.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться c комплектностью уcтановки и рекомендациями, приведенными на рабочем меcте. С разрешения преподавателя включить установку в электрическую сеть.

2. Установить одно из 3-х предложенных преподавателем напряжений на­кала спирали лампы осветителя и по таблице определить силу светаJ источника. Результат занести в таблицу 1.

3. Занести в таблицу 1 расстояние r от источника света до фотоэлемента (указано на рабочем месте).

4. По формуле (5) вычислить освещенность фотоэлемента для значения силы света J. Результат занести в таблицу 1.

5. На магазине сопротивлений вращением ручек установить максимально возможное сопротивление нагрузки. Постепенно уменьшать сопротивление нагрузки R до тех пор, пока показания вольтметра не начнут уменьшаться. Занести эти значения иRв табл.2.Уменьшая далее сопротивление R, измерять соответствующее падение напряжения Uи результаты заносить в таблицу 2.

6. По формуле (2) вычислить мощность фототока Р для каждого значения R_.

7. Построить график зависимости и оценить значение Р_max.

8. По формуле (4) рассчитать к.п.д. для каждого измерения, а по формуле (3) – оптимальное нагрузочное сопротивление R_{нагр.опт.}

9. Повторить п.п.(2 – 8) еще для двух значений освещенности.

10.Построить график зависимости

 

 

Таблица 1

№/№ п/п	Y	S	r	U	J	Е
лм/Вт	м2	м	B	кд	лк

 

Таблица 2

Е, лк	№/№ п/п
	R, Ом
U, мВ
Р, Вт
h
	R, Ом
U, мВ
Р, Вт
h
	R, Ом
U, мВ
Р, Вт
h

Техника безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.

2. Не касаться пальцами поверхностей оптических деталей.

3. Не следует перемещать по оптической скамье объектив.

 

Контрольные вопросы

1.Что такое собственная и примесная проводимость полупроводников?
2.Как возникает контактная разность потенциалов на р -n переходе?

3.Какую роль играет электриче­ское поле р -n перехода в движении через контакт носителей заряда?

4.Объяснить механизм возникновения фото-э.д.с.

Рекомендуемая литература

 

1. Федосеев В. Б. Физика.-Ростов н/Д: Феникс, 2009.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. (т.3). СПб.: Лань, 2006.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк. 2004.

 

 

Редактор А.А.Литвинова

_________________________

В печать

Объём 0,5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ № .Тираж 50 экз. Цена свободная

_________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1