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 К2 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 К2 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 К2, 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 випромінюванняФ, 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?