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

4 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

45128. What do you do on the Net? What are your favorite websites? 15.06 KB
  I cfn spend lot of free time surfing the Internet nd get ll sorts of informtion from it. You cn enter the cht the Internet nd get ll sorts of informtion from it. I cn enter the cht room with other Internet users nd debte urgent problems on line.
45129. The Internet 13.99 KB
  The Internet is sves time nd money. The Internet hs both dvntges nd disdvntges. However using the Internet in the best wy is problem which depends on the ttitude of ech people I think tht in our society nowdys so mny people tke dvntge of the Internet even to do bd things.
45130. About Myself 14.65 KB
  When I ws pupil my fvorite subjects ws History nd Society becuse I hd wnted to become lwyer. My fvorite supervisors re Jmes Cmeron Gy Richy Peter Jckson nd Leonid Gidi. My fvorite footbll tems re Mnchester United nd CSK. I like reding; my fvorite writers re Jorge Orwell for his “1984†Ioghn Wolfgng Gete for “Fust†nd Plto for “Stteâ€.
45131. Barristers and Solicitors 18.78 KB
  The solicitor deals with 1)petty crimes, some 2)matrimonial matters in magistrate courts. He 3)prepares the case and the evidence, may 4)represent his client in the lower courts. He has limited rights of audience. There in civil action solicitor can speak in the county court, when the case is about divorce or recovering some depts. 5)They act as an intermediary between their clients and barristers
45132. Barristers 13.19 KB
  Baristers ct s sole trders with unlimited libility. Some brristers re employed prctice nd represent their employer for exmple inhouse lwyer or lwyer in government bodies. Mny of the brristers work in selfemployed prctice t the chmbers or t the Br. The Inns re noncdemic societies which provide collegite nd eductionl resources for brristers nd trinees.
45133. British Political System 16.82 KB
  Queen Elizbeth II is the fourth sovereign of the House of Windsor. It consists of two chmbers known s the House of Commons nd House of Lords nd the Queen s its hed but only House of Commons hve rel power. The House of Commons consist of 650 elected members nd it’s persisted over by the Speker. Only four members House of Commons hve reserved sets: Speker Prime Minister leder of the prty tht hs mjority in the House of Commons nd Leder of the Opposition nd member who hs st in the House of Commons for the longest unbroken period who clled...
45134. British Parliament 13.87 KB
  It consists of two chmbers known s the House of Commons nd House of Lords nd the Queen s its hed but only House of Commons hve rel power. The House of Commons consist of 650 elected members nd it’s persisted over by the Speker. Only four members House of Commons hve reserved sets: Speker Prime Minister leder of the prty tht hs mjority in the House of Commons nd Leder of the Opposition nd member who hs st in the House of Commons for the longest unbroken period who clled Fther of the House of Commons. The House of Lords consist of 750...
45135. Geography and Economy of Great Britain 16.75 KB
  They lie to the west of the continent of Europe. The lrger of the two big islnds is known s Gret Britin. The smller Islnd is Irelnd with Northern Irelnd nd Irish Republic.
45136. Просвещенный абсолютизм Екатерины II 20.12 KB
  Время царствования Екатерины II называют эпохой просвещенного абсолютизма. Основы просвещённого абсолютизма: человек есть самое ценное на земле и его свобода важнее интересов государства; все люди равны в своих человеческих правах невзирая на сословные различия; общество нуждается в совершенствовании и важнейшую роль должны сыграть в этом наука просвещение законотворчество. Время царствования Екатерины II называют эпохой просвещенного абсолютизма . Смысл просвещенного абсолютизма состоит в политике следования идеям Просвещения...