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

15438. Создание инвестиционного проекта в Project Expert 390 KB
  Лабораторная работа №2 Создание инвестиционного проекта Цель: приобрести умения создавать сохранять и заполнять поля инвестиционного проекта Задачи: научиться вводить данные в поля проекта научиться настраивать расчеты по проекту Структ
15439. Общая характеристика предприятия в Project Expert 641.5 KB
  Лабораторная работа № 3 Общая характеристика предприятия Цель: приобрести навыки по описанию компании в Project Expert Задачи: научиться создавать календарный план научиться распределять ресурсы научиться составлять списки активов Структу...
15440. Основная деятельность предприятия в Project Expert 271 KB
  Лабораторная работа № 4 Основная деятельность предприятия Цель: научиться структурировать основную деятельность предприятия Задачи: научиться описывать объемы производства научиться составлять план по персоналу Структура лабораторно...
15441. Результаты и анализ проекта в Project Expert 772.5 KB
  Лабораторная работа № 5 Результаты и анализ проекта Цель: научиться анализировать результаты проекта Задачи: научиться вводить формулы научиться составлять графики научиться создавать пользовательские таблицы научиться создавать отчет ...
15442. Исследование финансовой эффективности в Project Expert 1.05 MB
  Лабораторная работа №6 Исследование финансовой эффективности Цель: научиться анализировать финансовую эффективность Задачи: научиться составлять таблицы для анализа научиться составлять прогнозы эффективности Структура лабораторной...
15443. Анализ кризисных ситуаций в Project Expert 67 KB
  Лабораторная работа № 7 Анализ кризисных ситуаций Цель: приобрести навыки по анализу кризисных ситуаций и поиску путей их решения Задачи: научиться анализировать кризисные ситуации научиться анализировать научиться находить пути выхода из кр
15444. Изучение эффективности чисто-конкурентных фирм и неэффективность монополий 236 KB
  Введение На поведение каждой фирмы влияет характер тип рынка на котором она функционирует. Тип рынка зависит от вида продукции количества фирм на нем наличия или отсутствия ограничений на вход в отрасль и выход из нее доступности информации о ценах нововведениях и т...
15445. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА 352 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА Методические указания к лабораторной работе №8 по физике Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения электроемкости конденсатора методом моста Сотти. Методические указания предназна...
15446. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ 349 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №16ПО ФИЗИКЕ Раздел Электричество и магнетизм Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику определения горизонтально