يوضح تجربة بسيطة. إذا أضاءت لوحة زنك سالبة الشحنة ومتصلة بالمكشاف الكهربائي (جهاز يُظهر وجود شحنة كهربائية) بضوء مصباح الأشعة فوق البنفسجية، فإن إبرة المكشاف الكهربائي ستنتقل بسرعة كبيرة إلى حالة الصفر. يشير هذا إلى اختفاء الشحنة من سطح اللوحة. إذا تم إجراء نفس التجربة باستخدام لوحة مشحونة بشكل إيجابي، فإن إبرة المكشاف الكهربائي لن تنحرف على الإطلاق. تم إجراء هذه التجربة لأول مرة في عام 1888 من قبل الفيزيائي الروسي ألكسندر جريجوريفيتش ستوليتوف.

الكسندر جريجوريفيتش ستوليتوف

ماذا يحدث للمادة عندما يسقط الضوء عليها؟

نحن نعلم أن الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي، وهو تيار من الجسيمات الكمومية - الفوتونات. عندما يسقط الإشعاع الكهرومغناطيسي على المعدن، ينعكس بعض منه عن السطح، والبعض الآخر تمتصه الطبقة السطحية. عند امتصاص الفوتون يتخلى عن طاقته للإلكترون. وبعد تلقي هذه الطاقة، يبذل الإلكترون شغلًا ويترك سطح المعدن. كل من اللوحة والإلكترون لهما شحنة سالبة، لذا فإنهما يتنافران ويخرج الإلكترون من السطح.

إذا كانت اللوحة مشحونة بشكل إيجابي، فإن الإلكترون السالب المطروح من السطح سوف ينجذب إليها مرة أخرى ولن يترك سطحها.

تاريخ الاكتشاف

تم اكتشاف ظاهرة التأثير الكهروضوئي في بداية القرن التاسع عشر.

في عام 1839، لاحظ العالم الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل التأثير الكهروضوئي عند السطح البيني للقطب المعدني والسائل (المنحل بالكهرباء).

ألكسندر إدموند بيكريل

في عام 1873، اكتشف المهندس الكهربائي الإنجليزي سميث ويلوبي أنه إذا تعرض السيلينيوم للإشعاع الكهرومغناطيسي، فإن موصليته الكهربائية تتغير.

أثناء إجراء تجارب حول دراسة الموجات الكهرومغناطيسية عام 1887، لاحظ الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز أن المكثف المشحون يشحن بشكل أسرع بكثير إذا كانت ألواحه مضاءة بالأشعة فوق البنفسجية.

هاينريش هيرتز

في عام 1888، اكتشف عالم الفيزياء التجريبية الألماني فيلهلم جالفاخس أنه عند تشعيع المعدن بالأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة، يفقد المعدن شحنته السالبة، أي تتم ملاحظة ظاهرة التأثير الكهروضوئي.

تم تقديم مساهمة كبيرة في دراسة التأثير الكهروضوئي من قبل الفيزيائي الروسي ألكسندر غريغوريفيتش ستوليتوف، الذي أجرى تجارب مفصلة حول دراسة التأثير الكهروضوئي في 1888-1890. للقيام بذلك، قام بتصميم جهاز خاص يتكون من قرصين متوازيين. أحد هذه الأقراص الكاثودمصنوعة من المعدن، وكانت داخل علبة زجاجية. قرص آخر الأنود، عبارة عن شبكة معدنية مطبقة على نهاية العلبة مصنوعة من زجاج الكوارتز. لم يتم اختيار زجاج الكوارتز من قبل العالم بالصدفة. والحقيقة هي أنه ينقل جميع أنواع موجات الضوء، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية. الزجاج العادي يحجب الأشعة فوق البنفسجية. تم ضخ الهواء من السكن. تم تطبيق جهد كهربائي على كل قرص: سالب على الكاثود، وموجب على القطب الموجب.

تجربة ستوليتوف

خلال التجارب، أضاء العالم الكاثود من خلال الزجاج بالضوء الأحمر والأخضر والأزرق والأشعة فوق البنفسجية. تم تسجيل شدة التيار بواسطة الجلفانومتر، حيث كان العنصر الرئيسي هو المرآة. اعتمادًا على حجم التيار الضوئي، تم انحراف المرآة بزوايا مختلفة. كان للأشعة فوق البنفسجية التأثير الأكبر. وكلما زاد عددهم في الطيف، كان تأثير الضوء أقوى.

اكتشف ستوليتوف أن الشحنات السالبة فقط هي التي يتم إطلاقها تحت تأثير الضوء.

كان الكاثود مصنوعًا من معادن مختلفة. وكانت المعادن الأكثر حساسية للضوء مثل الألومنيوم والنحاس والزنك والفضة والنيكل.

وفي عام 1898، اكتشف أن الشحنات السالبة المنطلقة أثناء التأثير الكهروضوئي هي إلكترونات.

وفي عام 1905، شرح ألبرت أينشتاين ظاهرة التأثير الكهروضوئي كحالة خاصة من قانون حفظ وتحويل الطاقة.

تأثير ضوئي خارجي

تأثير ضوئي خارجي

تسمى عملية خروج الإلكترونات من المادة تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي تأثير ضوئي خارجي، أو انبعاث الإلكترون الضوئي. تسمى الإلكترونات المنبعثة من السطح الإلكترونات الضوئية. وبناء على ذلك يسمى التيار الكهربائي الذي يتشكل أثناء حركتها المرتبة كهروضوئي.

القانون الأول للتأثير الكهروضوئي

تتناسب قوة التيار الضوئي بشكل مباشر مع كثافة التدفق الضوئي. كلما زادت شدة الإشعاع، زاد عدد الإلكترونات التي سيتم طردها من الكاثود خلال ثانية واحدة.

تتناسب شدة تدفق الضوء مع عدد الفوتونات. مع زيادة عدد الفوتونات، يزداد عدد الإلكترونات التي تخرج من سطح المعدن وتنتج تيارًا ضوئيًا. وبالتالي يزداد التيار.

القانون الثاني للتأثير الكهروضوئي

الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات المنبعثة بواسطة الضوء تزداد خطيًا مع تردد الضوء ولا تعتمد على شدته.

الطاقة التي يمتلكها الفوتون الساقط على السطح تساوي:

ه = ح ν ،أين ν - تردد الفوتون الحادث؛ ح - ثابت بلانك.

بعد أن تلقى الطاقة ه ، يؤدي الإلكترون وظيفة عمل φ . أما بقية الطاقة فهي الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي.

يتضمن قانون الحفاظ على الطاقة المساواة التالية:

ح·ν=φ + ث ه ، أين نحن - الطاقة الحركية القصوى للإلكترون لحظة خروجه من المعدن.

ح·ν=φ + م v 2 /2

القانون الثالث للتأثير الكهروضوئي

لكل مادة حد أحمر للتأثير الكهروضوئي، أي الحد الأدنى من تردد الضوء νmin(أو الطول الموجي الأقصى ≥ ماكس) ، حيث لا يزال التأثير الكهروضوئي ممكنًا، وإذا ν˂ ν دقيقة، فإن التأثير الكهروضوئي لم يعد يحدث.

يظهر التأثير الكهروضوئي بدءًا من تردد معين للضوء ν دقيقة . على هذا التردد يسمى الحدود "الحمراء" للتأثير الكهروضوئي، يبدأ انبعاث الإلكترون.

ح ν دقيقة = φ .

إذا كان تردد الفوتون أقل ν دقيقة فإن طاقتها لن تكون كافية "لطرد" إلكترون من المعدن.

التأثير الكهروضوئي الداخلي

إذا فقدت الإلكترونات، تحت تأثير الإشعاع، الاتصال بذراتها، لكنها لا تترك أشباه الموصلات والعوازل الصلبة والسائلة، ولكنها تبقى بداخلها كإلكترونات حرة، فإن هذا التأثير الكهروضوئي يسمى داخليًا. ونتيجة لذلك، يتم إعادة توزيع الإلكترونات بين حالات الطاقة. يتغير تركيز حاملات الشحنة و الموصلية الضوئية(زيادة الموصلية عند تعرضها للضوء).

يشمل التأثير الكهروضوئي الداخلي أيضًا تأثير الصمام الكهروضوئي، أو التأثير الكهروضوئي في الطبقة الحاجزة. يحدث هذا التأثير الكهروضوئي عندما تترك الإلكترونات سطح الجسم تحت تأثير الضوء وتنتقل إلى جسم آخر ملامس - شبه موصل أو إلكتروليت.

تطبيق التأثير الكهروضوئي

تسمى جميع الأجهزة التي يعتمد مبدأ تشغيلها على التأثير الكهروضوئي الخلايا الضوئية. كانت أول خلية ضوئية في العالم هي جهاز ستوليتوف، الذي أنشأه لإجراء تجارب لدراسة التأثير الكهروضوئي.

تُستخدم الخلايا الكهروضوئية على نطاق واسع في مجموعة واسعة من الأجهزة في مجال الأتمتة والميكانيكا عن بعد. بدون الخلايا الكهروضوئية، من المستحيل التحكم في آلات التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC)، والتي يمكنها إنشاء أجزاء وفقًا للرسومات دون تدخل بشري. بمساعدتهم، تتم قراءة الصوت من الفيلم. إنها جزء من أجهزة التحكم المختلفة وتساعد في إيقاف الجهاز وحظره في الوقت المناسب. وبمساعدة الخلايا الكهروضوئية، يتم تشغيل إنارة الشوارع عند حلول الظلام وتنطفئ عند الفجر. فهي تساعد في التحكم في البوابات الدوارة في المترو والإشارات على الأرض، وخفض الحاجز عندما يقترب القطار من المعبر. يتم استخدامها في التلسكوبات والألواح الشمسية.

تأثير صورة الصمام

التأثير الكهروضوئي في طبقة الحجب - يحدث تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي القوة الدافعة الكهربائية(الجهد الكهروضوئي) في نظام يتكون من اثنين ملامسين مختلفين لـ PP أو PP ومعدن. أعظم العملي المثير للاهتمام هو F. v. في التحول p-i و متغاير.ف. المستخدمة في الخلايا الكهروضوئية. مولدات في PP الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئيةإلخ.

. 2004 .

تعرف على "تأثير صورة الصمام" في القواميس الأخرى:

ميكانيكا الكم ويكيبيديا

إعادة توزيع الإلكترونات حسب الطاقة. الحالات في PP الصلبة والسائلة والعوازل الكهربائية، والتي تحدث تحت تأثير الكهرومغناطيسية. إشعاع. ف. يتم اكتشافه، كقاعدة عامة، عن طريق التغير في تركيز الموجات الحاملة الحالية في الوسط، أي من خلال ظهور... قاموس البوليتكنيك الموسوعي الكبير

تأثير الصمام الكهروضوئي- التأثير الكهروضوئي الداخلي، والذي تحدث فيه القوة الدافعة الكهربية. [مجموعة من المصطلحات الموصى بها. العدد 79. البصريات الفيزيائية. أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. لجنة المصطلحات العلمية والتقنية. 1970] المواضيع: البصريات الفيزيائية مصطلحات عامة التحول... ... دليل المترجم الفني

تأثير الصورة، مجموعة من الظواهر المرتبطة بإطلاق إلكترونات الجسم الصلب من الروابط داخل الذرة تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي. هناك: 1) التأثير الكهروضوئي الخارجي، أو الانبعاث الكهروضوئي، انبعاث الإلكترونات من السطح... ... الموسوعة الحديثة

ظاهرة مرتبطة بإطلاق الإلكترونات من مادة صلبة (أو سائلة) تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي. هناك:..1) التأثير الكهروضوئي الخارجي، انبعاث الإلكترونات تحت تأثير الضوء (انبعاث الإلكترون الضوئي)، ؟ الإشعاع، الخ؛..2)… ... القاموس الموسوعي الكبير

تأثير الصورة- (1) توليد القوة الدافعة الكهربائية بالصمام (photoEMF) بين اثنين من أشباه الموصلات المختلفتين أو بين شبه موصل ومعدن تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي؛ (2) واو - الانبعاث الخارجي (انبعاث الإلكترون الضوئي) للإلكترونات مع ... موسوعة البوليتكنيك الكبيرة

أ؛ م فيز. التغيرات في خصائص المادة تحت تأثير الطاقة الضوئية. التأثير الكهروضوئي. * * * التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة مرتبطة بإطلاق الإلكترونات من مادة صلبة (أو سائلة) تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي. يميز:... ... القاموس الموسوعي

تأثير الصمام الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي للطبقة الحاجزة- užtvarinis fotoefektas Statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. طبقة الحاجز الضوئية. تأثير طبقة الحاجز الكهروضوئية. تأثير الضوئية vok. Sperrschichtphotoeffekt، m rus. تأثير البوابة الكهروضوئية، م؛ التأثير الكهروضوئي، م؛… … Fizikos terminų žodynas

ظاهرة مرتبطة بإطلاق الإلكترونات التلفزيونية. الجسم (أو السائل) تحت تأثير الكهرباء. ماج. إشعاع. يميزون: تحويلة. انبعاث الإلكترونات تحت تأثير الضوء (انبعاث الإلكترون الضوئي)، والإشعاع ذ، وما إلى ذلك؛ داخلي ف. زيادة... ... علم الطبيعة. القاموس الموسوعي

الهدف من العمل:التعرف على الخلية الكهروضوئية للصمام، ودراسة خصائص الجهد الحالي.

مهمة:أخذ مجموعة من خصائص الجهد الحالي تحت إضاءة مختلفة، وتحديد مقاومة الحمل المثلى وتقييم كفاءة الخلية الكهروضوئية.

الأجهزة والملحقات:، خلية ضوئية من السيليكون، مخزن المقاومة، الميليفولتميتر، الملليمتر.

مقدمة

يتكون التأثير الكهروضوئي للصمام من ظهور قوة دافعة ضوئية في الصمام، أي تصحيح الاتصال عند إضاءته. أعظم تطبيق عملي هو التأثير الكهروضوئي للبوابة الذي لوحظ في تقاطع p-n. يحدث مثل هذا التحول عادة في المنطقة الداخلية لأشباه الموصلات البلورية، حيث يتغير نوع المادة المشابهة (من المستقبل إلى المتبرع) ونوع الموصلية المرتبطة بها (من الثقب إلى الإلكترون).

إذا لم يكن هناك اتصال بين أشباه الموصلات من النوع p وn، فإن مستويات فيرمي في مخططات الطاقة الخاصة بها (الشكل 1) تقع على ارتفاعات مختلفة: في النوع p أقرب إلى نطاق التكافؤ، وفي النوع n أقرب إلى نطاق التوصيل (وظيفة العمل من أشباه الموصلات p A2 تتجاوز دائمًا وظيفة عمل أشباه الموصلات n A1).

https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" width="12" height="221">تظهر خاصية الجهد الحالي لوصلة p-n غير المضاءة في الشكل 3 (المنحنى 2) ) يتم وصفه بالتعبير حيث JS هو تيار التشبع للوصلة p-n غير المضاءة؛ k هو ثابت بولتزمان؛ e هو شحنة الإلكترون؛ T هي درجة الحرارة؛ U هو الجهد الخارجي. تشير العلامة "" إلى المقابل

مباشرة إلى الأمام أو عكس الجهد

السيطرة على المجال الخارجي.

إذا قمت بإضاءة خلية ضوئية من المنطقة p، فإن الفوتونات الضوئية الممتصة في طبقة سطحية رقيقة من أشباه الموصلات ستنقل طاقتها إلى إلكترونات نطاق التكافؤ وتنقلها إلى نطاق التوصيل، وبالتالي تشكل إلكترونات وفجوات حرة (الإلكترونات الضوئية والثقوب الضوئية) في أشباه الموصلات بكميات متساوية. الإلكترونات الضوئية المتكونة في المنطقة p هي حاملات أقلية هنا. تتحرك على طول البلورة، فإنها تتحد جزئيًا مع الثقوب. ولكن إذا كان سمك المنطقة p صغيرًا، فإن جزءًا كبيرًا منها يصل إلى تقاطع p-n ويمر إلى المنطقة n لأشباه الموصلات، مما يشكل تيارًا ضوئيًا Jph يتدفق في الاتجاه المعاكس. لا يمكن للثقوب الضوئية، تمامًا مثل الثقوب الجوهرية، أن تخترق المنطقة n، لأنه للقيام بذلك يجب عليها التغلب على الحاجز المحتمل في منطقة تقاطع p-n. وبالتالي، فإن تقاطع p-n يفصل بين الإلكترونات الضوئية والثقوب الضوئية.

إذا كانت الدائرة مفتوحة، فإن الإلكترونات الضوئية التي مرت في المنطقة n تخلق هناك تركيزًا زائدًا للإلكترون بالنسبة إلى التوازن، وبالتالي شحن هذا الجزء من أشباه الموصلات بشكل سلبي. تشحن الثقوب الضوئية المنطقة p بشكل إيجابي. ويحدث فرق محتمل بين جزأي شبه الموصل، وهو ما يسمى photo-EMF. يتم تطبيق الصورة الضوئية الناتجة على تقاطع p-n في الاتجاه الأمامي (الإنتاجية)، وبالتالي ينخفض ​​ارتفاع الحاجز المحتمل وفقًا لذلك. وهذا بدوره يؤدي إلى ظهور ما يسمى بتيار التسرب Jу، الذي يتدفق في الاتجاه الأمامي. يزداد حجم الصورة-EMF حتى يعوض التيار المتزايد لحاملات الأغلبية عن التيار الكهروضوئي.

إذا قمت بإغلاق تقاطع p-n بمقاومة الحمل rn (الشكل 4)، فسوف يتدفق تيار J عبر الدائرة، والذي يمكن تمثيله كمجموع تيارين:

ي = جف – جو. (2)

يتم حساب تيار التسرب Jу بالصيغة (1) لوصلة p-n غير مضاءة عندما يتم تطبيق جهد خارجي Un = J rн عليها في الاتجاه الأمامي:

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

في وضع الخمول، تكون الدائرة مفتوحة (rn = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" width = "147" height = "57 src = ">، (4)

من حيث يتبع ذلك

https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" width="19" height="15 src=">). عندما يتغير الحمل الخارجي من 0 إلى نحصل على قسم فصيل عبد الواحد، وهي خاصية الجهد الحالي للوصلة p-n في الوضع الكهروضوئي عند تدفق ضوئي ثابت. حبكة شمسيصف تشغيل الخلية الكهروضوئية عند تطبيق جهد خارجي مباشر على قسم الوصلة p-n أد- عكس الجهد الخارجي (وضع تشغيل الثنائي الضوئي).

عندما يتغير التدفق الضوئي، تتغير خصائص الجهد الحالي ويتغير شكلها. يتم عرض عائلة خصائص الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية المسورة في الوضع الكهروضوئي عند إضاءة مختلفة في الشكل. 5.

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

الخطوط المستقيمة المرسومة من الأصل بزاوية α تحددها قيمة مقاومة الحمل (ctg α = rн) تتقاطع مع الخاصية عند النقاط التي تعطي حدودها انخفاض الجهد عبر الحمل، وتعطي الإحداثيات التيار في الدائرة الخارجية ( U1 = J1 r1). المساحة المظللة في الشكل تتناسب مع القدرة P1 المخصصة للحمل rn1:

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

حيث 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"> سيليكون من النوع n، مقطوع من بلورة واحدة، على سطحه بالتسخين عند عند درجة حرارة ~ 1200 درجة مئوية يتكون فيلم رقيق في بخار BCl3 2 ف- نوع السيليكون. يتم الاتصال بالدائرة الخارجية بالمنطقة p من خلال شريط معدني 3 ، رش على سطحه. لإنشاء جهة اتصال 4 مع المنطقة n، يتم صقل جزء من الفيلم الخارجي.

إجراءات أداء العمل

التمرين 1.إزالة خاصية الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية للصمام

1. بعد دراسة هذا الدليل، تعرف جيدًا على عملية التثبيت.

2. تغيير المقاومة rn من 10 إلى 900 أوم، مع الإضاءة المستمرة، تأخذ 8 - 10 قيم الجهد والتيار (المسافة من مصدر الضوء إلى الخلية الكهروضوئية ل= 5 سم).

3. كرر الخطوة 2 ل ل= 10 و 15 سم.

4. بناء عائلة من خصائص الجهد الحالي.

المهمة 2.دراسة خصائص الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية للصمام

1. بالنسبة لكل إضاءة، من خلال خاصية الجهد الحالي المقابلة، حدد الحد الأقصى لقدرة التيار الكهروضوئي Pmax، وفي هذه الحالة، باستخدام الصيغة (7)، احسب كفاءة الخلية الكهروضوئية. يتم حساب الإضاءة E من خلال شدة الإضاءة Jl للمصدر والمسافة لوفقا للصيغة.

2. معرفة Pmax لجميع الإضاءة، وحساب مقاومة الحمل المثلى rn باستخدام الصيغة (6). بالجملة إنشاء رسم بياني لـ rn. اختيار = و(E).

3. إنشاء الرسوم البيانية لJK. з = f(E) وUx. س = و(ه).

أسئلة التحكم

1. ما هي ظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي؟

2. ما الفرق بين أشباه الموصلات من النوع n وأشباه الموصلات من النوع p؟

3. كيف يتم تحقيق النوع المطلوب من موصلية أشباه الموصلات؟

4. ارسم مخطط الطاقة لأشباه الموصلات من النوع n وp.

5. شرح آلية حدوث فرق جهد التلامس للوصلة p-n.

6. شرح آلية عمل الوصلة p-n كمقوم للتيار المتردد.

7. كيف تعمل الخلية الكهروضوئية للبوابة؟

8. ما هو الغرض من الخلية الكهروضوئية المسورة؟

9. هل يمكن استخدام خلية ضوئية مسورة ككاشف للإشعاعات المؤينة؟

10. أين يتم استخدام الخلايا الكهروضوئية المسورة؟

11. ما هي آلية حدوث المجال الكهرومغناطيسي الضوئي للخلية الكهروضوئية للصمام؟

12. ما هو مستوى فيرمي؟

13. اذكر عدة أسباب لانخفاض كفاءة الخلايا الكهروضوئية للصمامات نسبيًا.

14. اذكر ميزة الخلايا الكهروضوئية الصمامية كمصادر للطاقة الكهربائية عن غيرها التي تعرفها.

15. ما هي الصعوبات في الاستخدام الواسع النطاق للخلايا الكهروضوئية المسورة؟ الآفاق.

فهرس

1. فيزياء تروفيموف. م: أعلى. المدرسة، 19 ص.

2. ورشة عمل معملية في الفيزياء / إد. . م: أعلى. المدرسة، 19 ص.

هناك تأثيرات ضوئية خارجية وداخلية للصمام. التأثير الكهروضوئي الخارجي (التأثير الكهروضوئي) هو انبعاث الإلكترونات من مادة تحت تأثير الإشعاع الكهرومغناطيسي. ويلاحظ التأثير الكهروضوئي الخارجي في المواد الصلبة (المعادن وأشباه الموصلات والعوازل)، وكذلك في الغازات والذرات والجزيئات الفردية (التأين الضوئي). تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي (1887) على يد ج. هيرتز، الذي لاحظ قوة عملية التفريغ عندما تم تشعيع فجوة الشرارة بالأشعة فوق البنفسجية.

تم إجراء الدراسات الأساسية الأولى للتأثير الكهروضوئي من قبل العالم الروسي أ.ج. ستوليتوف. يتم توصيل إلكترونين (الكاثود K مصنوع من المعدن قيد الدراسة والأنود A في مخطط ستوليتوف، تم استخدام شبكة معدنية) في أنبوب مفرغ بالبطارية بحيث باستخدام مقياس الجهد R لا يمكنك تغيير القيم فحسب، بل أيضًا الإشارة من الجهد المطبق عليهم. يتم قياس التيار المتولد عند إضاءة الكاثود بضوء أحادي اللون (من خلال نافذة كوارتز) بواسطة ملليمتر متصل بالدائرة. من خلال تشعيع الكاثود بضوء ذو أطوال موجية مختلفة، أنشأ ستوليتوف الأنماط التالية التي لم تفقد معناها حتى يومنا هذا:

1. الأشعة فوق البنفسجية لها التأثير الأكثر فعالية.

2. عند تعرض المادة للضوء، تفقد المادة شحناتها السالبة فقط.

ج.ج. قام توماس في عام 1898 بقياس شحنة الجسيمات المنبعثة تحت تأثير الضوء (بسبب الانحراف في المجالات الكهربائية والمغناطيسية). أظهرت هذه القياسات أن الإلكترونات يتم إنتاجها عند تعرضها للضوء.

التأثير الكهروضوئي الداخلي

التأثير الكهروضوئي الداخلي هو انتقال حر للإلكترونات داخل شبه موصل أو عازل من الحالات المرتبطة الناجمة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي دون الهروب إلى الخارج. ونتيجة لذلك، يزداد تركيز ناقلات التيار داخل الجسم، مما يؤدي إلى حدوث الموصلية الضوئية (زيادة التوصيل الكهربائي للموصل الضوئي أو العازل عند الإضاءة) أو ظهور القوى الدافعة الكهربية.

تأثير ضوئي للصمام

يحدث التأثير الكهروضوئي للبوابة - emf (photo-emf) عندما يتم إضاءة اتصال اثنين من أشباه الموصلات المختلفة أو أشباه الموصلات والمعادن (في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي). وبالتالي فإن التأثير الكهروضوئي للصمام يفتح الطريق أمام التحويل المباشر للطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية

خصائص الجهد الحالي للتأثير الكهروضوئي

خاصية الجهد الحالي للتأثير الكهروضوئي هي اعتماد التيار الكهروضوئي الناتج عن تدفق الإلكترونات المنبعثة من الكاثود تحت تأثير التيار على الجهد U بين الأقطاب الكهربائية. يتوافق هذا الاعتماد مع إضاءتين مختلفتين E e للكاثود (تردد الضوء هو نفسه في كلتا الحالتين). مع زيادة U، يزيد التيار الضوئي تدريجيا، أي. يصل عدد متزايد من الإلكترونات الضوئية إلى القطب الموجب. توضح الطبيعة المسطحة للمنحنيات أن الإلكترونات تنبعث من الكاثود بسرعات مختلفة. يتم تحديد القيمة القصوى للتيار I us - التيار الضوئي المشبع - بقيمة U التي تصل عندها جميع الإلكترونات المنبعثة من الكاثود إلى الأنود.

ويترتب على خاصية الجهد الحالي أنه عند U = 0 لا يختفي التيار الكهروضوئي. وبالتالي، فإن الإلكترونات التي يتم طردها من الكاثود بواسطة الضوء لها سرعة ابتدائية معينة v، وبالتالي طاقة حركية غير صفرية، ويمكنها الوصول إلى الأنود بدون مجال خارجي. لكي يصبح التيار الكهروضوئي صفراً، من الضروري تطبيق جهد تأخير U 0 . عند U = U 0، لا يستطيع أي من الإلكترونات، حتى تلك التي لها أقصى سرعة v max عند مغادرة الكاثود، التغلب على مجال التثبيط والوصول إلى الأنود. لذلك،

حيث n هو عدد الإلكترونات المنبعثة من الكاثود لكل 1 ثانية.

م 2 ماكس /2= ه يو 0

أولئك. من خلال قياس جهد التقييد U0، من الممكن تحديد القيم القصوى للسرعة والطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية.

عند انبعاث خصائص الجهد الحالي لمواد مختلفة (تردد السطح مهم، لذلك يتم إجراء القياسات في الفراغ وعلى الأسطح الطازجة) عند ترددات مختلفة من الإشعاع الساقط على الكاثود وإضاءات الطاقة المختلفة للكاثود والتعميم ومن خلال البيانات التي تم الحصول عليها، تم وضع القوانين الثلاثة التالية للتأثير الكهروضوئي الخارجي.

البطاريات الشمسية– جهاز لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية. يعتمد تشغيل البطارية الشمسية على التأثير الكهروضوئي للصمام (ففي). تأثير ضوئي للصمام- حدوث EMF (photoEMF) عند إضاءة هيكل يتكون من عناصر متباينة. يمكن أن تكون مكونات هذا الهيكل عبارة عن معدن وأشباه الموصلات (اتصال شوتكي)؛ اثنين من أشباه الموصلات مع أنواع مختلفة من الموصلية ( ص- نانتقال)؛ اثنين من أشباه الموصلات، مختلفة في التركيب الكيميائي (بنية متغايرة). تم اكتشاف هذه الظاهرة لأول مرة بواسطة L. Grundahl وبشكل مستقل عنه B. Lange في عام 1930. [UFN, 1934] في اتصالات شوتكي القائمة على المعدن النحاس وأكسيد النحاس (النحاس- النحاس 2 يا) . ومع ذلك، فإن كفاءة هذه الأجهزة كانت نسبة قليلة فقط، لذلك لم يتم استخدامها على نطاق واسع في ذلك الوقت. التطبيق العملي للألواح الشمسية ( س.ب) تم الحصول عليها عندما تم استبدال جهات اتصال شوتكي أولاً بالجرمانيوم، ثم خلايا السيليكون الضوئية ص- نالتحول، وجود كفاءة أعلى بكثير. تم استخدام الألواح الشمسية في المقام الأول كمولدات كهربائية في المركبات الفضائية. بالفعل تم تزويد القمر الصناعي الأرضي الاصطناعي الثالث (1958) بالطاقة من الألواح الشمسية. حاليًا، يتم إنتاج SBs بواسطة الصناعة، ولديها قوة تصل إلى عشرات الكيلووات، وكفاءة. تصل نسبة البطاريات المعتمدة على هياكل متغايرة مصنوعة من مواد شبه موصلة جديدة إلى 30%.

الأساس المادي للتأثير الكهروضوئي للبوابة

يعتمد التأثير الكهروضوئي للبوابة على ظاهرتين أساسيتين:

التأثير الكهروضوئي الداخلي هو توليد حاملات شحنة غير متوازنة عندما يتم تشعيع أشباه الموصلات بالإشعاع الكهرومغناطيسي مع طاقة كمية كافية لهذا التوليد (انظر العمل "التأثير الضوئي الداخلي في أشباه الموصلات المتجانسة"). أقصى قدر من الكفاءة الخلايا الشمسية ممكنة فقط في حالة "الموصلية الضوئية الجوهرية"، أي. المواقف التي ينتقل فيها الإلكترون، عند امتصاص الكم الخفيف، من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ويظهر زوج من حاملات الشحنة غير المتوازنة - إلكترون وثقب.

لكن حاملات الشحنة غير المتوازنة هذه ليست منفصلة مكانيًا ولا ينشأ المجال الكهرومغناطيسي الضوئي حتى يتم فصل الإلكترون والثقب في الفضاء. يتم تنفيذ هذه الوظيفة عن طريق الاتصال بين شبه الموصل والمعدن (اتصال شوتكي) أو بين أشباه الموصلات ( ص- نالتحول ، البنية المتغايرة)

دعونا ننظر في عملية فصل ناقلات الشحنة غير المتوازنة إلى ص- نانتقال. يوضح الشكل 1 التصميم النموذجي للخلية الكهروضوئية ذات البوابات ص- نالانتقال (الصمام الثنائي الضوئي)، وفي الشكل. 2 - إدراج خلية ضوئية في الدائرة الخارجية.

عندما مضاءة ص- المنطقة، يتم امتصاص الإشعاع فيها ويولد أزواج ثقب الإلكترون. وبما أن تركيز هذه الناقلات وغيرها يصل إلى الحد الأقصى على السطح، فإنها تنتشر بشكل أعمق ص– المناطق، إلى ص- نانتقال. الإلكترونات (حاملات الأقلية في ر-المناطق) يتم نقلها بواسطة حقل الاتصال إلى ن-المنطقة، وشحنها سلبا. بالنسبة لحاملات الشحنة الرئيسية (في هذه الحالة، هذه هي الثقوب) يوجد حاجز محتمل عند الحدود لا يمكنهم التغلب عليه وبالتالي تظل الثقوب موجودة ص- المنطقة وشحنها بشكل إيجابي. وهكذا، فإن المجال الكهربائي للتلامس يفصل مكانيًا بين الإلكترونات غير المتوازنة والثقوب التي تتشكل تحت تأثير الضوء. الدخول في ن- المنطقة، تقلل الإلكترونات الشحنة الفضائية الموجبة فيها، وتبقى فيها الفجوات ص-المناطق، تقليل الشحنة السالبة الحجمية (انظر العمل "ظواهر الاتصال في أشباه الموصلات"). وهذا يعادل تقديم طلب ص- نانتقال التحيز إلى الأمام φ ، وخفض الحاجز المحتمل بمقدار هφ ، أين ه - شحنة الإلكترون (الشكل 3).

الشكل: 3. مضيئةص- ن-انتقال. يتناقص الحاجز المحتمل لكل من الإلكترونات والثقوب بمقدار الجهد الضوئي.

نقل الإلكترونات من خلال ص-ن- يؤدي الانتقال إلى إنشاء تيار ضوئي - أنا F، والتي، نظرًا لأنها من إنتاج متحدثين من الأقليات، تم تعيينها بعلامة سلبية. يؤدي خفض الحاجز إلى زيادة تيار الناقلات الرئيسية، وهو ما يسمى في الخلايا الضوئية التسرب الحالي

أنا في = أنا س إكسب(هφ / كيلو طن). (1)

وهكذا تتدفق عبر التقاطع التيارات التالية: حاملات الأقليات: -أنا س، الوسائط الرئيسية: أنا س إكسب (هφ / كيلو طن)والتيار الضوئي :- أنا F . إجمالي التيار من خلال ص ن- الانتقال يساوي

أنا = أنا س (exp(eφ/kT) -1) - I F . (2)

تيار الناقل الأقلية

, (3)

أين و هي تركيزات حاملات الشحنة الأقلية، هي أطوال الانتشار، و هي معاملات انتشار الإلكترونات والثقوب. يتناسب التيار الضوئي، في التقريب الأول، مع إضاءة الخلية الكهروضوئية F.

اعتماد photoEMF للخلية الكهروضوئية للصمام على الحمل الخارجي

تصف المعادلة 2 خاصية الجهد الحالي للثنائي الضوئي المثالي. وفقا لقانون أوم، فإن التيار في الدائرة الخارجية (الشكل 2) يساوي

من (2) و (4) مع فتح الدائرة الخارجية، أي. في ر →∞, نحصل على photoEMF (photoEMF "عدم التحميل")

إذا كانت مقاومة الحمل صغيرة ( ر →0), عندها سيكون تيار الدائرة القصيرة مساوياً للتيار الكهروضوئي أنا كز = أنا F.يظهر الشكل مظهر خاصية الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية المثالية للبوابة. 4.

الشكل 4. خصائص الجهد الحالي للخلية الكهروضوئية السيليكون. نقطةأ في الشكل يتوافق مع التشغيل مع الحمل الخارجي الأمثل (مع أعلى قوة للمولد الكهروضوئي)

على النحو التالي من f.2.4 والشكل 4، مع زيادة مقاومة الحمل، يزيد photoEMF، ليصل إلى القيمة الحدية φ العشرين، وينخفض ​​التيار الضوئي. الطاقة التي يوفرها المولد الكهروضوئي للدائرة الخارجية تساوي أنا F · φ. مع الاختيار الأمثل لمقاومة الدائرة الخارجية، ستكون هذه القوة القصوى (الشكل 4).

كما يلي من الشكل 3، لا يمكن أن تتجاوز القيمة القصوى لـ photoEMF القيمة φ max ≈ ه ز / ه, أين ه ز – فجوة النطاق لأشباه الموصلات. في الواقع، نظرًا لعدد من الأسباب التي لم نأخذها بعين الاعتبار في التقريب الأول، ستكون القيمة القصوى للجهد الضوئي حوالي 2/3 ه ز / ه. للخلايا الشمسية السيليكونية (Si) ذات فجوة الحزمة ه ز≈ 1 فولت سيكون مساويا لـ φ max ≈600 mV، الخلايا الكهروضوئية من الجرمانيوم (Ge) φ max ≈400 mV، الخلايا الكهروضوئية من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) φ max ≈ 1 V. للحصول على الفولتية العالية، يتم توصيل الخلايا الكهروضوئية في سلسلة إلى بعضها البعض، للحصول على تيارات عالية - بالتوازي، وبالتالي تشكيل بطارية شمسية (الشكل 5،6).