Quali dispositivi sfruttano l'effetto fotoelettrico della valvola? Fotoeffetto valvola
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Dimostra un'esperienza semplice. Se una piastra di zinco carica negativamente collegata a un elettroscopio (un dispositivo che mostra la presenza di una carica elettrica) viene illuminata con la luce di una lampada a raggi ultravioletti, l'ago dell'elettroscopio si porterà molto rapidamente allo stato zero. Ciò indica che la carica è scomparsa dalla superficie della piastra. Se lo stesso esperimento viene eseguito con una piastra caricata positivamente, l'ago dell'elettroscopio non si defletterà affatto. Questo esperimento fu condotto per la prima volta nel 1888 dal fisico russo Alexander Grigorievich Stoletov.
Aleksandr Grigorievich Stoletov
Cosa succede a una sostanza quando la luce la colpisce?
Sappiamo che la luce è una radiazione elettromagnetica, un flusso di particelle quantistiche: i fotoni. Quando la radiazione elettromagnetica colpisce un metallo, una parte viene riflessa dalla superficie e una parte viene assorbita dallo strato superficiale. Quando viene assorbito, un fotone cede la sua energia all'elettrone. Dopo aver ricevuto questa energia, l'elettrone funziona e lascia la superficie del metallo. Sia la placca che l'elettrone hanno carica negativa, quindi si respingono e l'elettrone viene espulso dalla superficie.
Se la piastra è carica positivamente, l'elettrone negativo espulso dalla superficie verrà nuovamente attratto da essa e non lascerà la sua superficie.
Storia della scoperta
Il fenomeno dell'effetto fotoelettrico fu scoperto all'inizio del XIX secolo.
Nel 1839, lo scienziato francese Alexandre Edmond Becquerel osservò l'effetto fotovoltaico all'interfaccia di un elettrodo metallico e un liquido (elettrolita).
Alexander Edmond Becquerel
Nel 1873, l'ingegnere elettrico inglese Smith Willoughby scoprì che se il selenio viene esposto a radiazioni elettromagnetiche, la sua conduttività elettrica cambia.
Mentre conduceva esperimenti sullo studio delle onde elettromagnetiche nel 1887, il fisico tedesco Heinrich Hertz notò che un condensatore carico si scarica molto più velocemente se le sue piastre sono illuminate con radiazioni ultraviolette.
Heinrich Hertz
Nel 1888, il fisico sperimentale tedesco Wilhelm Galwachs scoprì che quando un metallo viene irradiato con radiazioni ultraviolette a onde corte, il metallo perde la sua carica negativa, cioè si osserva il fenomeno dell'effetto fotoelettrico.
Un enorme contributo allo studio dell'effetto fotoelettrico fu dato dal fisico russo Alexander Grigorievich Stoletov, che condusse esperimenti dettagliati sullo studio dell'effetto fotoelettrico nel 1888-1890. Per fare ciò, ha progettato un dispositivo speciale costituito da due dischi paralleli. Uno di questi dischi catodo, di metallo, era all'interno di una teca di vetro. Un altro disco anodo, era una rete metallica applicata all'estremità della cassa in vetro al quarzo. Il vetro al quarzo non è stato scelto dallo scienziato per caso. Il fatto è che trasmette tutti i tipi di onde luminose, comprese le radiazioni ultraviolette. Il vetro ordinario blocca la radiazione ultravioletta. L'aria è stata pompata fuori dall'alloggiamento. A ciascuno dei dischi è stata applicata una tensione: negativa al catodo, positiva all'anodo.
L'esperienza di Stoletov
Durante gli esperimenti, lo scienziato ha illuminato il catodo attraverso il vetro con luce rossa, verde, blu e ultravioletta. L'entità della corrente veniva registrata da un galvanometro, in cui l'elemento principale era uno specchio. A seconda dell'entità della fotocorrente, lo specchio veniva deviato con angoli diversi. I raggi ultravioletti hanno avuto l’effetto maggiore. E più ce n'erano nello spettro, più forte era l'impatto della luce.
Stoletov scoprì che sotto l'influenza della luce vengono rilasciate solo cariche negative.
Il catodo era costituito da vari metalli. I più sensibili alla luce erano metalli come alluminio, rame, zinco, argento e nichel.
Nel 1898 si scoprì che le cariche negative rilasciate durante l'effetto fotoelettrico sono elettroni.
E nel 1905 Albert Einstein spiegò il fenomeno dell'effetto fotoelettrico come un caso speciale della legge di conservazione e trasformazione dell'energia.
Fotoeffetto esterno
Fotoeffetto esterno
Viene chiamato il processo con cui gli elettroni lasciano una sostanza sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica fotoeffetto esterno, O emissione di fotoelettroni. Vengono chiamati gli elettroni emessi dalla superficie fotoelettroni. Di conseguenza, viene chiamata la corrente elettrica che si forma durante il loro movimento ordinato fotocorrente.
Prima legge dell'effetto fotoelettrico
L'intensità della fotocorrente è direttamente proporzionale alla densità del flusso luminoso. Maggiore è l'intensità della radiazione, maggiore sarà il numero di elettroni che verranno espulsi dal catodo in 1 s.
L'intensità del flusso luminoso è proporzionale al numero di fotoni. All’aumentare del numero di fotoni, aumenta il numero di elettroni che lasciano la superficie metallica e creano una fotocorrente. Di conseguenza, la corrente aumenta.
Seconda legge dell'effetto fotoelettrico
L'energia cinetica massima degli elettroni espulsi dalla luce aumenta linearmente con la frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.
L’energia posseduta da un fotone incidente sulla superficie è pari a:
E = hν ,Dove ν - frequenza del fotone incidente; H - Costante di Planck.
Avendo ricevuto energia E , l'elettrone svolge una funzione di lavoro φ . Il resto dell'energia è l'energia cinetica del fotoelettrone.
La legge di conservazione dell’energia implica la seguente uguaglianza:
h·ν=φ + W e , Dove Noi - l'energia cinetica massima di un elettrone al momento della partenza dal metallo.
h·ν=φ + m v2/2
Terza legge dell'effetto fotoelettrico
Per ogni sostanza esiste un limite rosso dell'effetto fotoelettrico, cioè una frequenza minima della luce ν min(o lunghezza d'onda massima λmassimo), in cui l'effetto fotoelettrico è ancora possibile, e se ν˂ ν min, allora l'effetto fotoelettrico non si verifica più.
L'effetto fotoelettrico appare a partire da una certa frequenza della luce ν min . A questa frequenza, chiamato bordo "rosso" dell'effetto fotoelettrico, inizia l'emissione di elettroni.
hνmin = φ .
Se la frequenza dei fotoni è inferiore ν min , la sua energia non sarà sufficiente per “espellere” un elettrone dal metallo.
Effetto fotoelettrico interno
Se, sotto l'influenza della radiazione, gli elettroni perdono la connessione con i loro atomi, ma non lasciano semiconduttori e dielettrici solidi e liquidi, ma rimangono al loro interno come elettroni liberi, allora questo effetto fotoelettrico è chiamato interno. Di conseguenza, gli elettroni vengono ridistribuiti tra gli stati energetici. La concentrazione dei portatori di carica cambia e a fotoconduttività(aumento della conduttività quando esposto alla luce).
Comprende anche l'effetto fotoelettrico interno effetto fotoelettrico della valvola, O effetto fotoelettrico nello strato barriera. Questo effetto fotoelettrico si verifica quando, sotto l'influenza della luce, gli elettroni lasciano la superficie di un corpo e passano in un altro corpo in contatto: un semiconduttore o un elettrolita.
Applicazione dell'effetto fotoelettrico
Vengono chiamati tutti i dispositivi il cui principio di funzionamento si basa sull'effetto fotoelettrico fotocellule. La prima fotocellula al mondo fu il dispositivo di Stoletov, da lui creato per condurre esperimenti per studiare l'effetto fotoelettrico.
Le fotocellule sono ampiamente utilizzate in un'ampia varietà di dispositivi nell'automazione e nella telemeccanica. Senza fotocellule è impossibile controllare le macchine a controllo numerico computerizzato (CNC), che possono creare parti secondo i disegni senza l'intervento umano. Con il loro aiuto, il suono viene letto dal film. Fanno parte di vari dispositivi di controllo e aiutano a fermare e bloccare il dispositivo al momento giusto. Con l'ausilio delle fotocellule l'illuminazione stradale si accende al calar della notte e si spegne all'alba. Aiutano a controllare i tornelli nella metropolitana e i fari a terra e ad abbassare la barriera quando un treno si avvicina a un passaggio a livello. Sono utilizzati nei telescopi e nei pannelli solari.
EFFETTO FOTO VALVOLA
effetto fotoelettrico nello strato bloccante - si verifica sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica forza elettromotiva(fotovoltaggio) in un sistema costituito da due diversi contatti in PP o PP e metallo. Il più grande pratico interessante è F. c. nella transizione pi e eterogiunzione. F.v. utilizzato nel fotovoltaico. generatori, in PP fotodiodi, fototransistor eccetera.
. 2004 .
Scopri cos'è "EFFETTO FOTO VALVOLA" in altri dizionari:
Meccanica quantistica...Wikipedia
Ridistribuzione degli elettroni in base all'energia. stati in PP solido e liquido e dielettrici, che si verificano sotto l'influenza dell'elettromagnetismo. radiazione. F.v. viene rilevato, di regola, da un cambiamento nella concentrazione dei portatori di corrente nel mezzo, cioè dalla comparsa di... Grande Dizionario Enciclopedico Politecnico
effetto fotoelettrico della valvola- Effetto fotoelettrico interno, in cui si verifica la fem. [Raccolta di termini consigliati. Numero 79. Ottica fisica. Accademia delle Scienze dell'URSS. Comitato di terminologia scientifica e tecnica. 1970] Argomenti: ottica fisica Termini generali trasformazione... ... Guida del traduttore tecnico
EFFETTO FOTO, un gruppo di fenomeni associati al rilascio di elettroni di un corpo solido da legami intraatomici sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica. Esistono: 1) effetto fotoelettrico esterno, o emissione di fotoelettroni, l'emissione di elettroni dalla superficie... ... Enciclopedia moderna
Fenomeno associato al rilascio di elettroni da un solido (o liquido) sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica. Esistono:..1) effetto fotoelettrico esterno, l'emissione di elettroni sotto l'influenza della luce (emissione di fotoelettroni), ? radiazioni, ecc.;..2)… … Grande dizionario enciclopedico
EFFETTO FOTO- (1) generazione valvolare di forza elettromotrice (fotoEMF) tra due semiconduttori dissimili o tra un semiconduttore e un metallo sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica; (2) F. emissione esterna (emissione di fotoelettroni) di elettroni con ... Grande Enciclopedia del Politecnico
UN; m.Fisico. Cambiamenti nelle proprietà di una sostanza sotto l'influenza dell'energia luminosa; effetto fotoelettrico. * * * L'effetto fotoelettrico è un fenomeno associato al rilascio di elettroni da un solido (o liquido) sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica. Distinguere:... ... Dizionario enciclopedico
effetto fotoelettrico della valvola
effetto fotoelettrico dello strato barriera- užtvarinis fotoefektas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. fotoeffetto strato barriera; effetto fotoelettrico dello strato barriera; effetto fotovoltaico vok. Sperrschichtphotoeffekt, m rus. effetto fotoelettrico del cancello, m; effetto fotovoltaico, m;… … Fizikos terminų žodynas
Un fenomeno associato al rilascio di elettroni TV. corpo (o liquido) sotto l'influenza dell'elettricità. mag. radiazione. Si distinguono: est. Ph. emissione di elettroni sotto l'influenza della luce (emissione di fotoelettroni), radiazione, ecc.; interno F. aumento... ... Scienze naturali. Dizionario enciclopedico
Obiettivo del lavoro: familiarità con la fotocellula della valvola, studio delle sue caratteristiche corrente-tensione.
Compito: prendere una famiglia di caratteristiche corrente-tensione sotto diversa illuminazione, determinare la resistenza di carico ottimale e valutare l'efficienza della fotocellula.
Dispositivi e accessori:, fotocellula al silicio, memoria resistiva, millivoltmetro, milliamperometro.
INTRODUZIONE
L'effetto fotoelettrico della valvola consiste nella comparsa di una fotoemf nella valvola, cioè nel contatto rettificante quando è illuminata. La più grande applicazione pratica è l'effetto fotoelettrico di gate osservato nella giunzione p-n. Tale transizione avviene solitamente nella regione interna di un semiconduttore cristallino, dove cambiano il tipo di drogante (da accettore a donatore) e il tipo di conduttività associato (da lacuna a elettrone).
Se non c'è contatto tra i semiconduttori di tipo p e n, i livelli di Fermi nei loro diagrammi energetici (Fig. 1) si trovano a diverse altezze: nel tipo p più vicini alla banda di valenza, nel tipo n più vicini alla banda di conduzione (la funzione di lavoro del semiconduttore p A2 supera sempre la funzione di lavoro del semiconduttore n A1).
https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" width="12" Height="221">La caratteristica corrente-tensione di una giunzione p-n spenta è mostrata in Fig. 3 (curva 2 ) Si descrive con l’espressione dove JS è la corrente di saturazione della giunzione p-n spenta; k è la costante di Boltzmann; e è la carica dell’elettrone; T è la temperatura; U è la tensione esterna. Il segno “” si riferisce alla corrispondentedirettamente alla tensione diretta o inversa
controllo del campo esterno.
Se si illumina una fotocellula dalla regione p, i fotoni luminosi, assorbiti in un sottile strato superficiale del semiconduttore, trasferiranno la loro energia agli elettroni della banda di valenza e li trasferiranno alla banda di conduzione, formando così elettroni e lacune liberi (fotoelettroni e fotofori) nel semiconduttore in quantità uguali. I fotoelettroni generati nella regione p qui sono portatori minoritari. Muovendosi lungo il cristallo, si ricombinano parzialmente con i fori. Ma se lo spessore della regione p è piccolo, una parte significativa di essa raggiunge la giunzione p-n e passa nella regione n del semiconduttore, formando una fotocorrente Jph che scorre nella direzione opposta. I fotobuchi, proprio come i buchi intrinseci, non possono penetrare nella regione n, poiché per farlo devono superare la barriera di potenziale nella regione della giunzione p-n. Pertanto, la giunzione pn separa i fotoelettroni e i fotofori.
Se il circuito è aperto, i fotoelettroni che sono passati nella regione n creano lì una concentrazione di elettroni in eccesso rispetto a quella di equilibrio, caricando così negativamente questa parte del semiconduttore. I fotofori caricano positivamente la regione p. Tra le due parti del semiconduttore si verifica una differenza di potenziale chiamata foto-EMF. La foto-emf risultante viene applicata alla giunzione pn nella direzione in avanti (flusso), quindi l'altezza della barriera potenziale diminuisce di conseguenza. Ciò a sua volta provoca la comparsa della cosiddetta corrente di dispersione Jу, che scorre nella direzione in avanti. L'entità della foto-EMF aumenta finché la corrente crescente dei portatori maggioritari compensa la fotocorrente.
Se si chiude la giunzione p-n alla resistenza di carico rn (Fig. 4), nel circuito scorrerà una corrente J, che può essere rappresentata come la somma di due correnti:
J = Jf – Jó. (2)
La corrente di dispersione Jу viene calcolata con la formula (1) per una giunzione p-n non illuminata quando ad essa viene applicata una tensione esterna Un = J rн nella direzione in avanti:https://pandia.ru/text/78/022/images/image012_31.gif" larghezza="25" altezza="28 src=">~ F. (3)
In modalità inattiva, il circuito è aperto (rn = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" width="147" Height="57 src=">, (4)
donde ne consegue che
https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" width="19" Height="15 src=">). Quando il carico esterno cambia da 0 a otteniamo una sezione aw, che è la caratteristica corrente-tensione della giunzione p-n in modalità fotovoltaica a flusso luminoso costante. Complotto Sole caratterizza il funzionamento di una fotocellula quando viene applicata una tensione esterna continua alla giunzione p-n, sezione UND– tensione esterna inversa (modalità di funzionamento fotodiodo).
Quando il flusso luminoso cambia, le caratteristiche corrente-tensione cambiano e la loro forma cambia. La famiglia delle caratteristiche corrente-tensione di una cella fotovoltaica con cancello in modalità fotovoltaica a varie illuminazioni è presentata in Fig. 5.
https://pandia.ru/text/78/022/images/image017_20.gif" larghezza="231" altezza="12">
Le linee rette tracciate dall'origine delle coordinate con un angolo α determinato dal valore della resistenza di carico (ctg α = rн) intersecano la caratteristica nei punti le cui ascisse danno la caduta di tensione attraverso il carico e le ordinate danno la corrente nel circuito esterno. circuito (U1 = J1 r1). L'area ombreggiata in figura è proporzionale alla potenza P1 destinata al carico rn1:https://pandia.ru/text/78/022/images/image020_15.gif" larghezza="136" altezza="52 src=">, (7)
dove https://pandia.ru/text/78/022/images/image022_14.gif" altezza="50">.gif" larghezza="12">
PROCEDURA PER L'ESECUZIONE DELL'OPERA
Esercizio 1. Eliminazione della caratteristica corrente-tensione di una fotocellula a valvola
1. Dopo aver studiato questo manuale, familiarizzare attentamente con l'installazione.
2. Modificando la resistenza rn da 10 a 900 Ohm, con illuminazione costante, assumere 8 - 10 valori di tensione e corrente (distanza dalla sorgente luminosa alla fotocellula l= 5 centimetri).
3. Ripetere il passaggio 2 per l= 10 e 15 cm.
4. Costruire una famiglia di caratteristiche corrente-tensione.
Compito 2. Studio delle caratteristiche corrente-tensione di una fotocellula a valvola
1. Per ogni illuminazione, dalla corrispondente caratteristica corrente-tensione, determinare la potenza massima della fotocorrente Pmax e in questo caso, utilizzando la formula (7), calcolare l'efficienza della fotocellula. L'illuminamento E si calcola attraverso l'intensità luminosa Jl della sorgente e la distanza l secondo la formula.
2. Conoscendo Pmax per tutta l'illuminazione, calcolare la resistenza di carico ottimale rn utilizzando la formula (6). vendita all'ingrosso Costruisci un grafico di rn. opt = f(E).
3. Costruisci i grafici di Jк. ç = f(E) e Ux. x = f(E).
DOMANDE DI CONTROLLO
1. Cos'è il fenomeno dell'effetto fotoelettrico interno?
2. Qual è la differenza tra un semiconduttore di tipo n e un semiconduttore di tipo p?
3. Come si ottiene il tipo desiderato di conduttività dei semiconduttori?
4. Disegna il diagramma energetico dei semiconduttori di tipo n e p.
5. Spiegare il meccanismo in cui si verifica la differenza di potenziale di contatto della giunzione p-n.
6. Spiegare il meccanismo d'azione di una giunzione p-n come raddrizzatore CA.
7. Come funziona una fotocellula per cancello?
8. Qual è lo scopo di una fotocellula con cancello?
9. È possibile utilizzare una fotocellula sbarrata come rilevatore di radiazioni ionizzanti?
10. Dove vengono utilizzate le fotocellule da cancello?
11. Qual è il meccanismo con cui si verifica la foto-EMF di una fotocellula a valvola?
12. Qual è il livello di Fermi?
13. Citare diversi motivi per l'efficienza relativamente bassa delle fotocellule delle valvole.
14. Nomina il vantaggio delle fotocellule a valvola come fonti di energia elettrica rispetto ad altre a te note.
15. Quali sono le difficoltà legate alla diffusione dell'uso delle fotocellule per cancello? Prospettive.
BIBLIOGRAFIA
1. Fisica di Trofimov. M.: Più in alto. scuola, 19 p.
2. Laboratorio di fisica / Ed. . M.: Più in alto. scuola, 19 p.
Sono presenti fotoeffetti interni esterni e valvolari. L'effetto fotoelettrico esterno (effetto fotoelettrico) è l'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica. L'effetto fotoelettrico esterno si osserva nei solidi (metalli, semiconduttori, dielettrici), nonché nei gas e nei singoli atomi e molecole (fotoionizzazione). L'effetto fotoelettrico fu scoperto (1887) da G. Hertz, che osservò la forza del processo di scarica quando lo spinterometro veniva irradiato con radiazioni ultraviolette.
I primi studi fondamentali sull'effetto fotoelettrico furono condotti dallo scienziato russo A.G. Stoletov. Due elettroni (catodo K costituito dal metallo in studio e anodo A nello schema di Stoletov, è stata utilizzata una rete metallica) in un tubo a vuoto sono collegati alla batteria in modo che utilizzando il potenziometro R sia possibile modificare non solo i valori, ma anche il segno della tensione ad essi applicata. La corrente generata quando il catodo è illuminato con luce monocromatica (attraverso una finestra di quarzo) viene misurata da un milliamperometro collegato al circuito. Irradiando il catodo con luce di varie lunghezze d'onda, Stoletov stabilì i seguenti schemi che fino ad oggi non hanno perso il loro significato:
1. La radiazione ultravioletta ha l'effetto più efficace.
2. Quando esposta alla luce, una sostanza perde solo cariche negative.
J.J. Thomas nel 1898 misurò la carica delle particelle emesse sotto l'influenza della luce (mediante deviazione nei campi elettrico e magnetico). Queste misurazioni hanno mostrato che gli elettroni venivano prodotti quando esposti alla luce.
Effetto fotoelettrico interno
L'effetto fotoelettrico interno è una transizione libera di elettroni all'interno di un semiconduttore o dielettrico da stati legati causati dalla radiazione elettromagnetica senza fuoriuscita verso l'esterno. Di conseguenza, la concentrazione dei portatori di corrente all'interno del corpo aumenta, il che porta alla comparsa di fotoconduttività (un aumento della conduttività elettrica di un fotoconduttore o dielettrico quando illuminato) o alla comparsa di fem.
Fotoeffetto valvola
Effetto fotoelettrico del cancello - fem (foto-emf) si verifica quando il contatto di due diversi semiconduttori o di un semiconduttore e un metallo viene illuminato (in assenza di un campo elettrico esterno). L'effetto fotoelettrico della valvola apre così la strada alla conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica
Caratteristiche corrente-tensione dell'effetto fotoelettrico
La caratteristica corrente-tensione dell'effetto fotoelettrico è la dipendenza della fotocorrente I generata dal flusso di elettroni emessi dal catodo sotto l'influenza della corrente dalla tensione U tra gli elettrodi. Questa dipendenza corrisponde a due diverse illuminazioni E e del catodo (la frequenza della luce è la stessa in entrambi i casi). All'aumentare di U, la fotocorrente aumenta gradualmente, cioè un numero crescente di fotoelettroni raggiunge l'anodo. La natura piatta delle curve mostra che gli elettroni vengono emessi dal catodo a velocità diverse. Il valore massimo della corrente I us - fotocorrente di saturazione - è determinato dal valore di U al quale tutti gli elettroni emessi dal catodo raggiungono l'anodo.
Dalla caratteristica corrente-tensione segue che con U = 0 la fotocorrente non scompare. Di conseguenza, gli elettroni espulsi dal catodo dalla luce hanno una certa velocità iniziale v, e quindi un'energia cinetica diversa da zero, e possono raggiungere l'anodo senza un campo esterno. Affinché la fotocorrente diventi zero, è necessario applicare una tensione di ritardo U 0 . A U = U 0, nessuno degli elettroni, anche quelli con la velocità massima v max quando lascia il catodo, può superare il campo ritardante e raggiungere l'anodo. Quindi,
Dove n è il numero di elettroni emessi dal catodo per 1s.
mv2max /2= eU0
quelli. Misurando la tensione di ritenuta U0 è possibile determinare i valori massimi della velocità e dell'energia cinetica dei fotoelettroni.
Quando si emettono le caratteristiche corrente-tensione di vari materiali (la frequenza della superficie è importante, quindi le misurazioni vengono eseguite nel vuoto e su superfici fresche) a diverse frequenze di radiazione incidente sul catodo e diverse illuminazioni di energia del catodo e generalizzazione dai dati ottenuti, sono state stabilite le seguenti tre leggi dell'effetto fotoelettrico esterno.
Batteria solare– un dispositivo per convertire direttamente l’energia della radiazione solare in energia elettrica. Il funzionamento di una batteria solare si basa sull'effetto fotoelettrico della valvola (VFE). Fotoeffetto valvola– la comparsa di campi elettromagnetici (photoEMF) quando si illumina una struttura costituita da elementi dissimili. I componenti di tale struttura possono essere un metallo ed un semiconduttore (contatto Schottky); due semiconduttori con diversi tipi di conduttività ( P- N transizione); due semiconduttori, diversi nella composizione chimica (eterostruttura). Questo fenomeno fu scoperto per la prima volta da L. Grundahl e, indipendentemente da lui, da B. Lange nel 1930. [UFN, 1934] in Contatti Schottky basati su metallo ossido di rame e rameoso (Cu- Cu 2 O) . Tuttavia, l’efficienza di tali dispositivi era solo di pochi punti percentuali, quindi a quel tempo non erano ampiamente utilizzati. Applicazione pratica dei pannelli solari ( SB) furono ottenuti quando i contatti Schottky furono sostituiti prima con le fotocellule al germanio, poi al silicio P- N transizione, avendo un’efficienza significativamente più elevata. I pannelli solari venivano utilizzati principalmente come generatori elettrici sui veicoli spaziali. Già il terzo satellite artificiale della Terra (1958) veniva alimentato con energia da pannelli solari. Attualmente gli SB sono prodotti dall'industria, hanno una potenza di decine di kilowatt ed efficienza. le batterie basate su eterostrutture realizzate con nuovi materiali semiconduttori raggiungono il 30%.
Basi fisiche dell'effetto fotoelettrico del cancello
L’effetto fotoelettrico del cancello si basa su due fenomeni fondamentali:
L'effetto fotoelettrico interno è la generazione di portatori di carica non in equilibrio quando un semiconduttore viene irradiato con radiazione elettromagnetica con un'energia quantica sufficiente per tale generazione (vedi il lavoro “Fotoeffetto interno in semiconduttori omogenei”). Massima efficienza celle solari è possibile solo nel caso di “fotoconduttività intrinseca”, cioè situazioni in cui, dopo l'assorbimento di un quanto di luce, un elettrone passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione e appare una coppia di portatori di carica non in equilibrio: un elettrone e una lacuna.
Ma questi portatori di carica non in equilibrio non sono separati spazialmente e la fotoEMF non si verifica finché l'elettrone e la lacuna non vengono separati nello spazio. Questa funzione è svolta dal contatto tra il semiconduttore e il metallo (contatto Schottky) o tra semiconduttori ( P- N transizione, eterostruttura)
Consideriamo il processo di separazione dei portatori di carica di non equilibrio in P- N transizione. La Figura 1 mostra un design tipico di una fotocellula con cancello P- N transizione (fotodiodo) e in Fig. 2 - l'inclusione di una fotocellula in un circuito esterno.
Quando illuminato P– regione, la radiazione viene assorbita in essa e genera coppie elettrone-lacuna. Poiché la concentrazione di questi e altri portatori è massima in superficie, si diffondono più in profondità P–regioni, a P- N transizione. Elettroni (portatori minoritari in R-aree) vengono trasferiti dal campo contatti a N-area, caricandola negativamente. Per i principali portatori di carica (in questo caso si tratta di buchi) c'è una potenziale barriera al confine che non riescono a superare e quindi i buchi rimangono P- zona, caricandola positivamente. Pertanto, il campo elettrico del contatto separa spazialmente gli elettroni e le lacune di non equilibrio formati sotto l'influenza della luce. Entrare in N-regione, gli elettroni riducono la carica spaziale positiva al suo interno e i buchi rimangono al suo interno P-regioni, riducono la carica volumetrica negativa (vedi il lavoro “Fenomeni di contatto nei semiconduttori”). Ciò equivale a presentare domanda P- N transizione di polarizzazione diretta φ , abbassando la potenziale barriera di un certo importo eφ , Dove e - carica dell'elettrone (Fig. 3).
Fig. 3. IlluminatoP- N-transizione. La barriera potenziale sia per gli elettroni che per le lacune diminuisce della quantità di fototensione.
Muovere gli elettroni P-N- la transizione crea una fotocorrente - IO F, al quale, poiché prodotto da parlanti di minoranza, viene assegnato un segno negativo. L'abbassamento della barriera porta ad un aumento della corrente dei portatori principali, che nelle fotocellule viene chiamata corrente di dispersione
IO A = IO S esp(eφ / kT). (1)
Pertanto, attraverso la giunzione fluiscono le seguenti correnti: portatori minoritari: -IO S, mezzi principali: IO S esp(esφ /kT) e fotocorrente:– IO F . Corrente totale passante p-n- la transizione è uguale a
io = io S (exp(eφ/kT) -1) - I F . (2)
Corrente portante di minoranza
,
(3)
dove e sono le concentrazioni dei portatori di carica minoritari; sono le lunghezze di diffusione; e sono i coefficienti di diffusione di elettroni e lacune. La fotocorrente è, in prima approssimazione, proporzionale all'illuminazione della fotocellula F.
Dipendenza della fotoEMF di una fotocellula della valvola dal carico esterno
L'equazione 2 descrive la caratteristica corrente-tensione di un fotodiodo ideale. Secondo la legge di Ohm, la corrente nel circuito esterno (Fig. 2) è uguale a
Da (2) e (4) con circuito esterno aperto, cioè A R →∞, otteniamo per photoEMF (photoEMF “no-load”)
Se la resistenza del carico è piccola ( R →0), quindi la corrente di cortocircuito sarà semplicemente uguale alla fotocorrente IO kz = IO F. L'aspetto della caratteristica corrente-tensione di una fotocellula ideale è mostrato in Fig. 4.
Fig.4. Caratteristiche corrente-tensione di una fotocellula al silicio. PuntoUN in figura corrisponde al funzionamento con carico esterno ottimale (con la massima potenza del generatore fotovoltaico)
Come segue da f.2.4 e Fig.4, all'aumentare della resistenza di carico, la fotoEMF aumenta, raggiungendo il valore limite φ XX e la fotocorrente diminuisce. La potenza fornita dal generatore fotoelettrico al circuito esterno è pari a IO F · φ. Con una scelta ottimale della resistenza del circuito esterno, questa potenza sarà massima (Fig. 4).
Come segue dalla Fig. 3, il valore massimo di fotoEMF non può superare il valore φ max ≈ E G / e, Dove E G – la banda proibita di un semiconduttore. Infatti, per una serie di motivi di cui non abbiamo tenuto conto in prima approssimazione, il valore massimo del fotovoltaggio sarà pari a circa 2/3 E G / e. Per celle solari in silicio (Si) con bandgap E G≈ 1 eV sarà pari a φ max ≈600 mV, fotocellule da germanio (Ge) φ max ≈400 mV, fotocellule da arseniuro di gallio (GaAs) φ max ≈ 1 V. Per ottenere tensioni elevate le fotocellule vengono collegate in serie a tra loro, per ottenere correnti elevate - in parallelo, formando così una batteria solare (Fig. 5,6).