Демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым .

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц - фотонов . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод , сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод , представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Опыт Столетова

Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом , или фотоэлектронной эмиссией . Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами . Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком .

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока . Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Е = h·ν ,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.

Получив энергию Е , электрон совершает работу выхода φ . Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv 2 /2

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν min (или максимальная длина волны λ max ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ ν min , то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света ν min . При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта , начинается испускание электронов.

h· ν min = φ .

Если частота фотона ниже ν min , его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое . Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами . Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.

ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ

фотоэффект в запирающем слое, - возникновение под действием электромагнитного излучения электродвижущей силы (фотоэдс) в системе, состоящей из двух контактирующих разных ПП или из ПП и металла. Наибольший практич. интерес представляет Ф. в. в р - я-переходе и гетеропереходе. Ф. в. используют в фотоэлектрич. генераторах, в ПП фотодиодах, фототранзисторах и т. д.

. 2004 .

Смотреть что такое "ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ" в других словарях:

Квантовая механика … Википедия

Перераспределение электронов по энергетич. состояниям в твёрдых и жидких ПП и диэлектриках, происходящее под действием электромагн. излучения. Ф. в. обнаруживается, как правило, по изменению концентрации носителей тока в среде, т. е. по появлению … Большой энциклопедический политехнический словарь

вентильный фотоэффект - Внутренний фотоэффект, при котором возникает э.д.с. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики физическая оптика Обобщающие термины превращение… … Справочник технического переводчика

ФОТОЭФФЕКТ, группа явлений, связанных с освобождением электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения. Различают: 1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, испускание электронов с поверхности… … Современная энциклопедия

Явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:..1) внешний фотоэффект испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), ? излучения и др.;..2)… … Большой Энциклопедический словарь

ФОТОЭФФЕКТ - (1) вентильный возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом под действием электромагнитного излучения; (2) Ф. внешний (фотоэлектронная эмиссия) испускание электронов с … Большая политехническая энциклопедия

А; м. Физ. Изменение свойств вещества под воздействием световой энергии; фотоэлектрический эффект. * * * фотоэффект явление, связанное с освобождением электронов твёрдого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:… … Энциклопедический словарь

вентильный фотоэффект

фотоэффект запирающего слоя - užtvarinis fotoefektas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. barrier layer photoeffect; barrier layer photoelectric effect; photovoltaic effect vok. Sperrschichtphotoeffekt, m rus. вентильный фотоэффект, m; фотовольтаический эффект, m;… … Fizikos terminų žodynas

Явление, связанное с освобождением электронов тв. тела (или жидкости) под действием эл. магн. излучения. Различают: внеш. Ф. испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), у излучения и др.; внутр. Ф. увеличение… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Цель работы: ознакомление с вентильным фотоэлементом, исследование вольт-амперных характеристик его.

Задача: снять семейство вольт-амперных характеристик при различных освещенностях, определить оптимальные нагрузочные сопротивления и оценить КПД фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: , кремниевый фотоэлемент, магазин сопротивлений, милливольтметр, миллиамперметр.

ВВЕДЕНИЕ

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т. е. выпрямляющем, контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р- n-переходе. Такой переход возникает обычно во внутренней области кристаллического полупроводника, где меняются тип легирующей примеси (с акцепторной на донорную) и связанный с этим тип проводимости (с дырочной на электронную).

Если контакт между полупроводниками р - и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 1) расположены на разной высоте: в р-типа ближе к валентной зоне, в n-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из р-полупроводника А2 всегда превышает работу выхода из n-полупроводника А1).

https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" width="12" height="221">Вольт-амперная характеристика неосвещенного р - n-перехода представлена на рис. 3 (кривая 2). Она описывается выражением где JS – ток насыщения неосвещенного р - n-перехода; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; U – внешнее напряжение. Знак «» относится соответст-

венно к прямому или обратному нап-

равлению внешнего поля.

Если освещать фотоэлемент со стороны р-области, то фотоны света, поглощаясь в тонком поверхностном слое полупроводника, будут передавать свою энергию электронам валентной зоны и переводить их в зону проводимости, тем самым образуя в полупроводнике свободные электроны и дырки (фотоэлектроны и фотодырки) в равных количествах. Образованные в р-области фотоэлектроны являются здесь неосновными носителями. Двигаясь по кристаллу, они частично рекомбинируют с дырками. Но если толщина р-области мала, то значительная часть их доходит до р - n-перехода и переходит в n-область полупроводника, образуя фототок Jф, текущий в обратном направлении. Фотодырки так же, как и собственные дырки, не могут проникнуть в n-область, так как для этого они должны преодолеть потенциальный барьер в области р - n-перехода. Таким образом, р - n-переход разделяет фотоэлектроны и фотодырки.

Если цепь разомкнута, то фотоэлектроны, перешедшие в n-область, создают там избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, тем самым заряжая эту часть полупроводника отрицательно. Фотодырки заряжают р-область положительно. Между обеими частями полупроводника возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. Возникшая фото-ЭДС приложена к р - n-переходу в прямом (пропускном) направлении, поэтому высота потенциального барьера соответственно уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление так называемого тока утечки Jу, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.

Если замкнуть р - n-переход на нагрузочное сопротивление rн (рис. 4), по цепи пойдет ток J, который можно представить как сумму двух токов:

J = Jф – Jу. (2)

Ток утечки Jу рассчитывается по формуле (1) для неосвещенного р - n- перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение Uн = J rн в прямом направлении:

https://pandia.ru/text/78/022/images/image012_31.gif" width="25" height="28 src=">~ Ф. (3)

В режиме холостого хода цепь разомкнута (rн = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" width="147" height="57 src=">, (4)

откуда следует, что

https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" width="19" height="15 src=">). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ав , который и представляет собой собственно вольт-амперную характеристику р - n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке. Участок вс характеризует работу фотоэлемента при подаче на р - n-переход прямого внешнего напряжения, участок а d – обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).

При изменении светового потока вольт-амперные характеристики смещаются, форма их изменяется. Семейство вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 5.

https://pandia.ru/text/78/022/images/image017_20.gif" width="231" height="12">

Прямые, проведенные из начала координат под углом α, определяемым величиной сопротивления нагрузки (ctg α = rн), пересекают характеристику в точках, абсциссы которых дают падение напряжения на нагрузке, а ординаты – ток во внешней цепи (U1 = J1 r1). Площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности Р1, выделяемой на нагрузке rн1:

https://pandia.ru/text/78/022/images/image020_15.gif" width="136" height="52 src=">, (7)

где https://pandia.ru/text/78/022/images/image022_14.gif" height="50">.gif" width="12">

https://pandia.ru/text/78/022/images/image026_13.gif" width="21" height="12">https://pandia.ru/text/78/022/images/image031_11.gif" width="12" height="31"> кремния n-типа, вырезанную из монокристалла, на поверхности которой путем прогрева при температуре ~ 1200 0С в парах ВСl3 сформирована тонкая пленка 2 кремния р-типа. Контакт внешней цепи с р-областью осуществляется через металлическую полоску 3 , напыленную на ее поверхность. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки сошлифовывается.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики вентильного фотоэлемента

1. Изучив данное методическое пособие, внимательно ознакомиться с установкой.

2. Изменяя сопротивление rн от 10 до 900 Ом, при постоянной освещенности снять 8 – 10 значений напряжения и тока, (расстояние от источника света до фотоэлемента l = 5 см).

3. Повторить выполнение п. 2 для l = 10 и 15 см.

4. Построить семейство вольт-амперных характеристик.

Задание 2. Исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента

1. Для каждой освещенности из соответствующей вольт-амперной характеристики определить максимальную мощность фототока Рmax и для этого случая по формуле (7) рассчитать КПД фотоэлемента. Освещенность Е вычисляется через силу света Jл источника и расстояние l по формуле .

2. Зная Рmax для всех освещенностей, рассчитать по формуле (6) оптимальные нагрузочные сопротивления rн. опт. Построить график rн. опт = f(E).

3. Построить графики Jк. з = f(E) и Ux. x = f(E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта?

2. В чем состоит отличие полупроводника n-типа от полупроводника р-типа?

3. Как достигается нужный тип проводимости полупроводника?

4. Нарисуйте энергетическую схему полупроводников n - и р-типа.

5. Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов р - n-перехода.

6. Объясните механизм действия р - n-перехода как выпрямителя переменного тока.

7. Как устроен вентильный фотоэлемент?

8. Каково назначение вентильного фотоэлемента?

9. Можно ли вентильный фотоэлемент использовать в качестве детектора ионизирующих излучений?

10. Где находят применение вентильные фотоэлементы?

11. Каков механизм возникновения фото-ЭДС вентильного фотоэлемента?

12. Что такое уровень Ферми?

13. Назовите несколько причин сравнительно низкого КПД вентильных фотоэлементов.

14. Назовите преимущество вентильных фотоэлементов как источников электрической энергии перед другими, известными вам.

15. Каковы трудности широкого использования вентильных фотоэлементов? Перспективы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трофимова физики. М.: Высш. шк., 19с.

2. Лабораторный практикум по физике / Под ред. . М.: Высш. шк., 19с.

Различают фотоэффект внешний внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриков), а также в газах и отдельных атомах и молекулах (фото ионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 году) Г. Герцем, наблюдавший усилие процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Два электрона (катод К из исследуемого металла и анод А в схеме Столетова применялось металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батареи так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значения, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности не утратившие свое значения до нашего времени:

1. Наиболее эффективное воздействие оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под воздействием света вещество теряет только отрицательные заряды.

Дж.Дж. Томас в 1898 г. Измерил уделы заряд испускаемых под воздействием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырабатываются электроны.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект - это вызванный электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний свободные без вылета наружу. В результате концентрации носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновения фотопроводимости (по повышения электропроводимости фотопроводника или диэлектрика при его освещении) или возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект- возникает э.д.с (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла(при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Вольт-Амперная характеристика фотоэффекта - зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием тока от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям Е е катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны испускаемые катодом, достигают анода.

Из вольта-амперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того что бы фототок стал равным нулю необходимо приложить задерживающие напряжение U 0 . При U= U 0 ни один из электронов даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Где n - число электронов испускаемое катодом в 1с.

mv 2 max /2= e U 0

т.е. измерив сдерживающиеся напряжение U0, можно определить максимальное значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При излучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна частота поверхности, поэтому измерение проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

Солнечная батарея – устройство для непосредственного преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В основе работы солнечной батареи лежит вентильный фотоэффект (ВФЭ) . Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС (фотоЭДС) при освещении структуры, состоящей из разнородных элементов. Составляющими такой структуры могут быть металл и полупроводник (контакт Шоттки); два полупроводника с различным типом проводимости (p - n переход); два полупроводника, различных по химическому составу (гетероструктура). Впервые это явление было обнаружено Л.Грюндалем и, независимо от него, Б.Ланге в 1930г. [УФН, 1934] в контактах Шоттки на основе металлической меди и закиси меди (Cu - Cu 2 O ) . Однако коэффициент полезного действия таких устройств составлял всего несколько процентов, поэтому широкого применения они тогда не нашли. Практическое применение солнечные батареи (СБ ) получили, когда на смену контактам Шоттки пришли сначала германиевые, затем кремниевые фотоэлементы с p - n переходом, имеющие существенно более высокий к.п.д. В первую очередь солнечные батареи были использованы в качестве электрических генераторов на космических аппаратах. Уже третий искусственный спутник Земли (1958г.) снабжался энергией от солнечных батарей. В настоящее время СБ выпускаются промышленностью, имеют мощность в десятки киловатт, а к.п.д. батарей на основе гетероструктур из новых полупроводниковых материалов достигает 30%.

Физические основы вентильного фотоэффекта

В основе вентильного фотоэффекта – два фундаментальных явления:

Внутренний фотоэффект – генерация неравновесных носителей заряда при облучении полупроводника электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для такой генерации (см. работу «Внутренний фотоэффект в однородных полупроводниках»). Максимальный к.п.д. солнечных батарей возможен только в случае «собственной фотопроводимости», т.е. ситуации, когда при поглощении кванта света происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости и появляется пара неравновесных носителей заряда – электрон и дырка.

Но эти неравновесные носители заряда пространственно не разделены и фотоЭДС не возникает, пока электрон и дырка не будут разнесены в пространстве. Эту функцию выполняет контакт между полупроводником и металлом (контакт Шоттки) или между полупроводниками (p - n переход, гетероструктура)

Рассмотрим процесс разделения неравновесных носителей заряда на p - n переходе. На рис.1 показана типичная конструкция вентильного фотоэлемента с p - n переходом (фотодиода), а на рис.2 – включение фотоэлемента во внешнюю цепь.

При освещении p –области излучение поглощается в ней и генерирует электронно-дырочные пары. Поскольку концентрация тех и других носителей максимальна у поверхности, они диффундируют вглубь p –области, к p - n переходу. Электроны (неосновные носители в р -области) перебрасываются контактным полем в n -область, заряжая ее отрицательно. Для основных носителей заряда (в данном случае это дырки) на границе существует потенциальный барьер, который они не способны преодолеть и поэтому дырки остаются в p - области, заряжая ее положительно. Таким образом, электрическое поле контакта пространственно разделяет неравновесные электроны и дырки, образующиеся под действием света. Попадая в n -область, электроны уменьшают положительный объемный заряд в ней, а дырки, оставшиеся в p –области, уменьшают объемный отрицательный заряд (см. работу «Контактные явления в полупроводниках»). Это равносильно подаче на p - n переход прямого смещения φ , понижающего потенциальный барьер на величину е φ , где е - заряд электрона (рис.3).

Рис.3.Освещенный p - n -переход. Потенциальный барьер и для электронов, и для дырок уменьшается на величину фотоЭДС.

Перемещение электронов через p -n -переход создает фототок - I Ф , которому, поскольку он создается неосновными носителями, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который в фотоэлементах называется током утечки

I у = I s exp (е φ / kT ). (1)

Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей: -I S , основных носителей: I S exp(е φ /kT) и фототок:–I ф . Полный ток через p- n - переход равен

I = I S (exp(eφ/kT) -1) - I ф . (2)

Ток неосновных носителей

, (3)

где и- концентрации неосновных носителей заряда;- диффузионные длины;- коэффициенты диффузии электронов и дырок. Фототокв первом приближении пропорционален освещенности фотоэлементаФ.

Зависимость фотоЭДС вентильного фотоэлемента от внешней нагрузки

Уравнение 2 описывает вольт-амперную характеристику идеального фотодиода. По закону Ома ток во внешней цепи (рис.2) равен

Из (2) и (4) при разомкнутой внешней цепи, т.е. при R →∞, получим для фотоЭДС (фотоЭДС «холостого хода»)

Если же сопротивление нагрузки мало ( R →0), то ток короткого замыкания будет просто равен фототоку I кз = I Ф. Внешний вид вольт-амперной характеристики идеального вентильного фотоэлемента приведен на рис. 4.

Рис.4. Вольт-амперная характеристика кремниевого фотоэлемента. Точка а на рисунке соответствует работе с оптимальной внешней нагрузкой (с наибольшей мощностью фотоэлектрического генератора)

Как следует из ф.2,4 и рис.4 при увеличении сопротивления нагрузки фотоЭДС увеличивается, достигая в пределе значения φ ХХ , а фототок уменьшается. Мощность, отдаваемая фотоэлектрическим генератором во внешнюю цепь, равна I ф · φ. При оптимальном выборе сопротивления внешней цепи эта мощность будет максимальной (рис.4).

Как следует из рис.3, максимальная величина фотоЭДС не может превышать величину φ макс ≈ E g / e , где E g – ширина запрещенной зоны полупроводника. Фактически, в силу ряда причин, не учтенных нами в первом приближении, максимальная величина фотоЭДС будет составлять примерно 2/3· E g / e . У фотоэлементов из кремния (Si) с шириной запрещенной зоны E g ≈ 1 эВ она будет равна φ макс ≈600 мВ, фотоэлементов из германия (Ge) φ макс ≈400 мВ, фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs) φ макс ≈ 1 В. Для получения больших напряжений фотоэлементы подключают последовательно друг другу, для получения больших токов – параллельно, формируя, таким образом, солнечную батарею (рис.5,6).