49849

ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА

Лабораторная работа

Физика

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.

Русский

2014-11-12

137.5 KB

5 чел.

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 (Rн = ∞, 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 (Uф 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 (н = 0), то образованные светом носители заряда будут циркулировать в цепи фотоэлемента, создавая фототок короткого замыкания ф кз. Величина фото-ЭДС холостого хода Uф хх и сила фототока короткого замыкания ф кз определяются  концентрацией образованных светом носителей заряда, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотоэлемента Е.

Зависимости фототока ф кз и фото-ЭДС Uф 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 Rн. На этом сопротивлении будет выделятся полезная мощность

                                              P = I∙U = I2∙Rн,                                                     (1)

   где I - сила тока в цепи фотоэлемента (I < Iф кз), А,

        U - напряжение на контактах фотоэлемента (U< Uф хх), В.

Сила тока I, напряжение U, а следовательно, и мощность P при постоянной освещенности определяется величиной нагрузочного сопротивления Rн. Изменяя сопротивление Rн 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 Rн равно нулю, все развиваемое фотоэлементом напряжение Uф 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 (Rн = ∞) и, изменяя расстояние между осветителем и фотоэлементом, снять зависимость фото-ЭДС Uф хх от освещенности E. Результаты измерений занести в таблицу 1.
  3.  Замкнуть цепь фотоэлемента  накоротко (н = 0) и снять зависимость фототока Iф 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

  1.  Изменяя сопротивление Rн 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

 

  1.  Построить графики зависимостей Uф хх(Е) и Iф кз(Е)  (световые характеристики фотоэлемента).
  2.  Построить семейство нагрузочных характеристик фотоэлемента.
  3.  Для каждой нагрузочной характеристики найти максимальные значения мощности Рmax = (I∙U)max , выделяющейся на нагрузке и КПД фотоэлемента

                              ηmax = РmaxΨ / (Е∙S).                                               (3)  

  1.  Построить графики зависимости η max и Рmax от освещенности Е.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление внутреннего фотоэффекта?

2. Что такое вентильный фотоэффект?

3. Объясните устройство и принцип работы вентильного фотоэлемента.

4. Объясните световые и нагрузочные характеристики фотоэлемента.

5. Как найти КПД вентильного фотоэлемента и от чего он зависит?

6. Для чего используются вентильные фотоэлементы?

Список рекомендуемой литературы

  1.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для  вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2003.- §§ 204, 244.
  2.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.-.: 2-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1999. - § 43.6.
  3.  Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: В 3-х т. Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука., 1987. - §46.
  4.  Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II, § 68.
  5.  Пасынков В.В., Чиркин Л.К.  Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. "Полупроводники и диэлектрики" и "Полупроводниковые и микроэлектронные приборы" - 4-е изд.,  перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987. - §§9.8.
  6.  http://www.officemart.ru/news.
  7.  http://ecoclub.nsu.ru/altenergy/working/veu.shtm
  8.  http://www.snowball.ru/pilgrims/?page=manual2&print=1


а

б

+

+

+

+

Eвнутр

в

Rн

Uн = Iф Rн

Iф

p

n

свет

 Ионы

B-    P+

Рисунок 1 - Генерация электронно-дырочных пар в p-области  полупроводника под действием света (а);

втягивание электронов в n-область

полем p-n перехода (б); создание фототока Iф во внешней цепи (в).

1

2

Uф хх

Iф кз

0

Ф

Рисунок 2 - Световые характеристики

фотоэлемента:

1 - ток короткого замыкания Iф кз;

2 - фото-ЭДС холостого хода Uф хх.

Pmax

Uф

Uф хх2

Uф хх1

Iф

Iф кз1           Iф кз2

Ф1

Ф2

Рисунок 3 - Нагрузочная характеристика фотоэлемента U(I) при различных световых потоках Ф, падающих на фотоэлемент.

Заштрихована площадь, соответствующая максимальной мощности, выделяющейся на нагрузке при световом потоке Ф1.

                 а)                                         б)                                        в)

Рисунок 4 - Примеры применения вентильных фотоэлементов и батарей:

а) калькулятор на солнечных  элементах [6]; б) солнечная электростан-ция – экологически чистый источник энергии [7]; в) солнечные батареи - основной источник энергии на спутниках [8].

  8     12    16    20    24     28    32    36     40        l, см

100

200

300

400

Е, лк

Рисунок 5 - Градуировочная кривая освещённости фотоэлемента.

Примечание: Крупномасштабный график размещён на стенде.  

EL

VL

PU

PA

~U

R

S

μA

mV

Рисунок 6 - Схема для исследования характеристик фотоэлемента.                                         

EL - источник света,

VL - фотоэлемент,

R  - магазин сопротивлений,

PA - микроамперметр,

PU - вольтметр,

S - ключ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85546. Уроку позакласного читання «Людина починається з добра» 88 KB
  Розширити знання дітей про життя і творчість В.Сухомлинського; формувати оцінні судження щодо ознак добра і зла; збагачувати словник учнів; формувати читацький інтерес; розвивати вміння колективно обговорювати прочитане, уважно і зацікавлено слухати товариша і доповнювати його відповідь у ході бесіди...
85547. Цікаве у світі тварин. О.Копиленко «Кріт-неборака» 33.5 KB
  Ознайомитися з особистістю О. Копиленка; викликати інтерес до його творчості; вдосконалювати навички правильного, виразного та швидкого читання; розвивати вміння переказувати прочитане; знаходити в тексті описи й міркування, ознаки науково-популярного оповідання...
85548. Наталія Забіла. «Чотири пори року» 63.5 KB
  Учити правильно, виразно читати поетичні твори, інтонацією передавати настрій твору, учити бачити та відчувати красу й різноманітність природних явищ, передавати своє ставлення до змісту; розвивати читацькі навички учнів, збагачувати словниковий запас дітей...
85549. Урок позакласного читання «Осінні зустрічі» 58.5 KB
  Бо це вже осінь наступила Зажуру тиху розлила Все золотом осіннім вкрила Туманом землю сповила. Всі учні класу стають на сцені в три ряди і виконують пісню Осінь муз. Коваля Дні коротшають потроху Відцвіта безхмарна просинь В край наш з дальньої дороги Завітала мила Осінь.
85550. Пригоди з друзями-дослідниками. Олег Буцень «Наше відкриття» 122.5 KB
  Мета: Удосконалювати навички правильного і виразного читання та вміння аналізувати твір. Розвивати спостережливість, фантазію. Розширювати і поглиблювати уявлення дітей про цікаве та незвичайне у природі; виховувати любов до природи та бережне ставлення до природи.
85551. Байки Л. І. Глібова – чудова скарбниця мудрості 47 KB
  Мета: Розширити знання учнів про творчість байкаря, особливості байок; вчити знаходити аналогії між зображеним у байках і вчинками людей, удосконалювати вміння читати в особах, передаючи авторське і власне ставлення до героїв; збагачувати словник, розвивати образне мислення.
85552. Мандрівка у цікавий світ навколо нас 50 KB
  Мандрівка у цікавий світ навколо нас. Обладнання: Підручник Позакласне читання малюнки із зображенням пейзажів природи: лісу діброви гаю луків; квітів та тварин;кросворд картки із словниковими словами виставка книг на тему: Цікавий світ природи. ка світ ці вий у Манд ка рів Мандрівка у цікавий світ.
85553. Ознайомлення із життям і творчістю Тараса Шевченка. Т.Шевченко “Не цурайтесь того слова... “. О.Іваненко “Тарас у наймах.” 48 KB
  Мета: розширити знання учнів про життя і творчість Т.Шевченка; вчити передавати під час читання своє ставлення до прочитаного; вміння працювати над твором; продовжити роботу з вдосконалення навичок читання;розвивати мовлення учнів, пам’ять; виховувати співчуття до головного героя твору.
85554. Що таке байка і хто такий байкар? Л. Глібов «Лебідь, Щука і Рак», «Коник-стрибунець» 51 KB
  Ознайомити дітей із жанром байки; розширити знання про Л.Глібова; удосконалювати вміння читати діалоги розвивати способи і види читання байки образність мовлення уміння визначати повчальний висновок висловлювати оцінні судження; формувати комунікативну компетентність виховувати моральні якості.