Demonstruje proste doświadczenie. Jeśli ujemnie naładowana płytka cynkowa podłączona do elektroskopu (urządzenia wskazującego obecność ładunku elektrycznego) zostanie oświetlona światłem lampy ultrafioletowej, wówczas igła elektroskopu bardzo szybko przejdzie do stanu zerowego. Oznacza to, że ładunek zniknął z powierzchni płytki. Jeśli ten sam eksperyment zostanie przeprowadzony z dodatnio naładowaną płytką, igła elektroskopu w ogóle nie ulegnie odchyleniu. Eksperyment ten został po raz pierwszy przeprowadzony w 1888 roku przez rosyjskiego fizyka Aleksandra Grigoriewicza Stoletowa.

Aleksander Grigoriewicz Stoletow

Co dzieje się z substancją, gdy pada na nią światło?

Wiemy, że światło to promieniowanie elektromagnetyczne, strumień cząstek kwantowych – fotonów. Kiedy promieniowanie elektromagnetyczne pada na metal, jego część odbija się od powierzchni, a część jest pochłaniana przez warstwę powierzchniową. Po absorpcji foton oddaje swoją energię elektronowi. Po otrzymaniu tej energii elektron wykonuje pracę i opuszcza powierzchnię metalu. Zarówno płyta, jak i elektron mają ładunek ujemny, więc odpychają się, a elektron zostaje wyrzucony z powierzchni.

Jeśli płyta będzie naładowana dodatnio, wyrzucony z powierzchni elektron ujemny zostanie przez nią ponownie przyciągnięty i nie opuści jej powierzchni.

Historia odkryć

Zjawisko efektu fotoelektrycznego odkryto na początku XIX wieku.

W 1839 roku francuski naukowiec Alexandre Edmond Becquerel zaobserwował efekt fotowoltaiczny na styku metalowej elektrody i cieczy (elektrolitu).

Aleksandra Edmonda Becquerela

W 1873 roku angielski inżynier elektryk Smith Willoughby odkrył, że jeśli selen zostanie wystawiony na działanie promieniowania elektromagnetycznego, zmienia się jego przewodność elektryczna.

Prowadząc eksperymenty z falami elektromagnetycznymi w 1887 roku niemiecki fizyk Heinrich Hertz zauważył, że naładowany kondensator rozładowuje się znacznie szybciej, jeśli jego płytki są oświetlone promieniowaniem ultrafioletowym.

Henryk Hertz

W 1888 roku niemiecki fizyk eksperymentalny Wilhelm Galwachs odkrył, że metal pod wpływem napromieniowania krótkofalowym promieniowaniem ultrafioletowym traci swój ładunek ujemny, to znaczy obserwuje się zjawisko efektu fotoelektrycznego.

Ogromny wkład w badania efektu fotoelektrycznego wniósł rosyjski fizyk Aleksander Grigoriewicz Stoletow, który przeprowadził szczegółowe eksperymenty dotyczące badania efektu fotoelektrycznego w latach 1888–1890. W tym celu zaprojektował specjalne urządzenie składające się z dwóch równoległych dysków. Jeden z tych dysków katoda, wykonany z metalu, znajdował się w szklanej gablocie. Kolejny dysk anoda, stanowiła metalowa siatka nałożona na zakończenie obudowy wykonanej ze szkła kwarcowego. Szkło kwarcowe zostało wybrane przez naukowca nieprzypadkowo. Faktem jest, że przepuszcza wszystkie rodzaje fal świetlnych, w tym promieniowanie ultrafioletowe. Zwykłe szkło blokuje promieniowanie ultrafioletowe. Z obudowy wypompowano powietrze. Do każdego z dysków przyłożono napięcie: ujemne do katody, dodatnie do anody.

Doświadczenie Stoletova

Podczas eksperymentów naukowiec oświetlał katodę przez szkło światłem czerwonym, zielonym, niebieskim i ultrafioletowym. Wielkość prądu rejestrowano za pomocą galwanometru, którego głównym elementem było lustro. W zależności od wielkości fotoprądu zwierciadło odchylało się pod różnymi kątami. Największy wpływ miały promienie ultrafioletowe. A im więcej ich było w widmie, tym silniejszy był wpływ światła.

Stoletow odkrył, że pod wpływem światła uwalniane są tylko ładunki ujemne.

Katoda została wykonana z różnych metali. Najbardziej wrażliwe na światło były metale takie jak aluminium, miedź, cynk, srebro i nikiel.

W 1898 roku odkryto, że ładunki ujemne uwalniane podczas efektu fotoelektrycznego to elektrony.

A w 1905 roku Albert Einstein wyjaśnił zjawisko efektu fotoelektrycznego jako szczególny przypadek prawa zachowania i transformacji energii.

Zewnętrzny fotoefekt

Zewnętrzny fotoefekt

Nazywa się proces opuszczania substancji przez elektrony pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego zewnętrzny fotoefekt, Lub emisja fotoelektronów. Nazywa się elektrony emitowane z powierzchni fotoelektrony. W związku z tym nazywa się prąd elektryczny powstający podczas ich uporządkowanego ruchu fotoprąd.

Pierwsza zasada efektu fotoelektrycznego

Siła fotoprądu jest wprost proporcjonalna do gęstości strumienia świetlnego. Im wyższe natężenie promieniowania, tym większa liczba elektronów zostanie wyrzucona z katody w ciągu 1 sekundy.

Natężenie strumienia świetlnego jest proporcjonalne do liczby fotonów. Wraz ze wzrostem liczby fotonów wzrasta liczba elektronów opuszczających powierzchnię metalu i tworzących fotoprąd. W związku z tym prąd wzrasta.

Drugie prawo efektu fotoelektrycznego

Maksymalna energia kinetyczna elektronów wyrzucanych przez światło rośnie liniowo wraz z częstotliwością światła i nie zależy od jego natężenia.

Energia fotonu padającego na powierzchnię jest równa:

E = h ν ,Gdzie ν - częstotliwość padającego fotonu; H - Stała Plancka.

Otrzymawszy energię mi , elektron pełni funkcję pracy φ . Pozostała część energii to energia kinetyczna fotoelektronu.

Z prawa zachowania energii wynika następująca równość:

h·ν=φ + W mi , Gdzie My - maksymalna energia kinetyczna elektronu w momencie odejścia od metalu.

h·ν=φ + m v 2 /2

Trzecie prawo efektu fotoelektrycznego

Dla każdej substancji istnieje czerwona granica efektu fotoelektrycznego, czyli minimalna częstotliwość światła ν min(lub maksymalna długość fali λ maks), przy którym efekt fotoelektryczny jest nadal możliwy, i jeśli ν˂ ν min, wówczas efekt fotoelektryczny już nie występuje.

Efekt fotoelektryczny pojawia się już od określonej częstotliwości światła νmin . Na tej częstotliwości tzw „czerwona” granica efektu fotoelektrycznego rozpoczyna się emisja elektronów.

h ν min = φ .

Jeśli częstotliwość fotonów jest niższa νmin , jego energia nie wystarczy, aby „wybić” elektron z metalu.

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny

Jeżeli pod wpływem promieniowania elektrony tracą połączenie ze swoimi atomami, ale nie pozostawiają stałych i ciekłych półprzewodników i dielektryków, ale pozostają w nich jako wolne elektrony, wówczas taki efekt fotoelektryczny nazywa się wewnętrznym. W rezultacie elektrony ulegają redystrybucji pomiędzy stanami energetycznymi. Stężenie nośników ładunku zmienia się i a fotoprzewodnictwo(wzrost przewodności pod wpływem światła).

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny obejmuje również efekt fotoelektryczny zaworu, Lub efekt fotoelektryczny w warstwie barierowej. Ten efekt fotoelektryczny występuje, gdy pod wpływem światła elektrony opuszczają powierzchnię ciała i przechodzą do innego, stykającego się ciała - półprzewodnika lub elektrolitu.

Zastosowanie efektu fotoelektrycznego

Nazywa się wszystkie urządzenia, których zasada działania opiera się na efekcie fotoelektrycznym fotokomórki. Pierwszą na świecie fotokomórką było urządzenie Stoletova, stworzone przez niego w celu prowadzenia eksperymentów mających na celu badanie efektu fotoelektrycznego.

Fotokomórki znajdują szerokie zastosowanie w szerokiej gamie urządzeń automatyki i telemechaniki. Bez fotokomórek niemożliwe jest sterowanie maszynami sterowanymi numerycznie (CNC), które potrafią tworzyć części według rysunków bez interwencji człowieka. Za ich pomocą dźwięk jest odczytywany z filmu. Są częścią różnych urządzeń sterujących i pomagają zatrzymać i zablokować urządzenie we właściwym momencie. Za pomocą fotokomórek oświetlenie uliczne włącza się o zmroku i wyłącza o świcie. Pomagają kontrolować kołowrotki w metrze i sygnalizatory na lądzie, a także obniżają szlaban, gdy pociąg zbliża się do przejazdu. Stosowane są w teleskopach i panelach słonecznych.

EFEKT FOTO ZAWOROWY

efekt fotoelektryczny w warstwie blokującej - zachodzi pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego siła elektromotoryczna(fotowoltaika) w systemie składającym się z dwóch stykających się różnych PP lub PP i metalu. Najbardziej praktyczny interesujący jest F. v. w przejściu p-i i heterozłącze. F.v. stosowane w fotowoltaice. generatory, w PP fotodiody, fototranzystory itp.

. 2004 .

Zobacz, co „EFEKT FOTOZAPU ZAWOROWEGO” znajduje się w innych słownikach:

Mechanika kwantowa… Wikipedia

Redystrybucja elektronów ze względu na energię. Stany w stałym i ciekłym PP oraz dielektrykach, zachodzące pod wpływem elektromagnetyzmu. promieniowanie. F.v. wykrywa się z reguły poprzez zmianę stężenia nośników prądu w ośrodku, czyli przez pojawienie się... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

efekt fotoelektryczny zaworu- Wewnętrzny efekt fotoelektryczny, w którym występuje SEM. [Zbiór zalecanych terminów. Wydanie 79. Optyka fizyczna. Akademia Nauk ZSRR. Komitet Terminologii Naukowo-Technicznej. 1970] Tematyka: optyka fizyczna Ogólne terminy transformacja... ... Przewodnik tłumacza technicznego

FOTOEFEKT, zespół zjawisk związanych z uwalnianiem elektronów ciała stałego z wiązań wewnątrzatomowych pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżnia się: 1) zewnętrzny efekt fotoelektryczny, czyli emisję fotoelektronów, czyli emisję elektronów z powierzchni... ... Nowoczesna encyklopedia

Zjawisko związane z uwalnianiem elektronów z ciała stałego (lub cieczy) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżnia się:..1) zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne, emisję elektronów pod wpływem światła (emisja fotoelektronów), ? promieniowanie itp.;..2)… … Wielki słownik encyklopedyczny

EFEKT FOTOGRAFICZNY- (1) zaworowe wytwarzanie siły elektromotorycznej (fotoEMF) pomiędzy dwoma różnymi półprzewodnikami lub pomiędzy półprzewodnikiem a metalem pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego; (2) F. zewnętrzna (emisja fotoelektronowa) emisja elektronów z ... Wielka encyklopedia politechniczna

A; m. Fiz. Zmiany właściwości substancji pod wpływem energii świetlnej; efekt fotoelektryczny. * * * efekt fotoelektryczny to zjawisko związane z uwalnianiem elektronów z ciała stałego (lub cieczy) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Wyróżnić:... ... słownik encyklopedyczny

efekt fotoelektryczny zaworu

efekt fotoelektryczny warstwy barierowej- užtvarinis fotoefektas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. efekt fotoelektryczny warstwy barierowej; efekt fotoelektryczny warstwy barierowej; efekt fotowoltaiczny vok. Sperrschichtphotoeffekt, m rus. efekt fotoelektryczny bramy, m; efekt fotowoltaiczny, m;… … Fizikos terminų žodynas

Zjawisko związane z uwalnianiem elektronów telewizyjnych. ciało (lub ciecz) pod wpływem prądu elektrycznego. mag. promieniowanie. Wyróżniają: wew. Ph. emisja elektronów pod wpływem światła (emisja fotoelektronów), promieniowania y itp.; wewnętrzny F. wzrost... ... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny

Cel pracy: zapoznanie się z fotokomórką zaworu, badanie jej charakterystyk prądowo-napięciowych.

Zadanie: pobrać rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych przy różnym oświetleniu, określić optymalną rezystancję obciążenia i ocenić wydajność fotokomórki.

Urządzenia i akcesoria:, fotokomórka krzemowa, magazyn oporowy, miliwoltomierz, miliamperomierz.

WSTĘP

Efekt fotoelektryczny zaworu polega na pojawieniu się fotoemf w zaworze, tj. Prostowaniu, styku, gdy jest on oświetlony. Największym praktycznym zastosowaniem jest efekt fotoelektryczny bramki obserwowany na złączu p-n. Takie przejście zwykle zachodzi w obszarze wewnętrznym półprzewodnika krystalicznego, gdzie zmienia się rodzaj domieszki (od akceptora do donora) i związany z nim rodzaj przewodnictwa (od dziury do elektronu).

Jeżeli pomiędzy półprzewodnikami typu p i n nie ma kontaktu, to poziomy Fermiego na ich diagramach energetycznych (rys. 1) znajdują się na różnych wysokościach: w typie p bliżej pasma walencyjnego, w typie n bliżej do pasma przewodnictwa (funkcja pracy z p-półprzewodnika A2 zawsze przekracza funkcję pracy n-półprzewodnika A1).

https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" szerokość="12" height="221">Charakterystykę prądowo-napięciową nieoświetlonego złącza p-n pokazano na ryc. 3 (krzywa 2 ) Opisane jest to wyrażeniem gdzie JS to prąd nasycenia nieświecącego złącza p-n, k to stała Boltzmanna, e to ładunek elektronu, T to temperatura, U to napięcie zewnętrzne. Znak „” odnosi się do odpowiedniego

bezpośrednio do napięcia przewodzenia lub wstecznego

kontrola pola zewnętrznego.

Jeśli oświetlisz fotokomórkę z obszaru p, wówczas fotony światła, zaabsorbowane w cienkiej warstwie powierzchniowej półprzewodnika, przekażą swoją energię elektronom pasma walencyjnego i przekażą je do pasma przewodnictwa, tworząc w ten sposób wolne elektrony i dziury (fotoelektronów i fotodziur) w półprzewodniku w równych ilościach. Fotoelektrony generowane w obszarze p są tutaj nośnikami mniejszościowymi. Poruszając się po krysztale, częściowo łączą się z dziurami. Ale jeśli grubość obszaru p jest mała, wówczas znaczna ich część dociera do złącza p-n i przechodzi do obszaru n półprzewodnika, tworząc fotoprąd Jph płynący w przeciwnym kierunku. Fotodziury, podobnie jak dziury wewnętrzne, nie mogą przeniknąć do obszaru n, gdyż w tym celu muszą pokonać barierę potencjału w obszarze złącza p-n. Zatem złącze p-n oddziela fotoelektrony i fotodziury.

Jeśli obwód jest otwarty, wówczas fotoelektrony, które przeszły do ​​obszaru n, tworzą tam nadmierne stężenie elektronów w stosunku do równowagi, ładując w ten sposób ujemnie tę część półprzewodnika. Fotodziury ładują obszar p dodatnio. Pomiędzy obydwoma częściami półprzewodnika występuje różnica potencjałów, co nazywa się foto-EMF. Powstały fotoemf przykładany jest do złącza p-n w kierunku do przodu (przepustowości), dzięki czemu wysokość bariery potencjału odpowiednio się zmniejsza. To z kolei powoduje pojawienie się tzw. prądu upływowego Jу, płynącego w kierunku do przodu. Wielkość foto-EMF wzrasta, dopóki rosnący prąd większości nośników nie skompensuje fotoprądu.

Jeśli zamkniesz złącze p-n do rezystancji obciążenia rn (ryc. 4), przez obwód przepłynie prąd J, który można przedstawić jako sumę dwóch prądów:

J = Jf – Jу. (2)

Prąd upływowy Jу oblicza się ze wzoru (1) dla nieświecącego złącza p-n, gdy przyłożone jest do niego napięcie zewnętrzne Un = J rн w kierunku do przodu:

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

W trybie bezczynności obwód jest otwarty (rn = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" szerokość="147" wysokość="57 src=">, (4)

skąd to wynika

https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" szerokość="19" wysokość="15 src=">). Gdy obciążenie zewnętrzne zmienia się z 0 na, otrzymujemy sekcję och, czyli charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p-n w trybie fotowoltaicznym przy stałym strumieniu świetlnym. Działka Słońce charakteryzuje działanie fotokomórki po przyłożeniu stałego napięcia zewnętrznego na złącze p-n, przekrój AD– zewnętrzne napięcie zwrotne (tryb pracy fotodiody).

Kiedy zmienia się strumień świetlny, zmieniają się charakterystyki prądowo-napięciowe i zmienia się ich kształt. Rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych bramkowanego ogniwa fotowoltaicznego pracującego w trybie fotowoltaicznym przy różnym oświetleniu przedstawiono na rys. 5.

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

Proste wyprowadzone z początku współrzędnych pod kątem α określonym przez wartość rezystancji obciążenia (ctg α = rн) przecinają charakterystykę w punktach, których odcięte oznaczają spadek napięcia na obciążeniu, a rzędne określają prąd w obwodzie zewnętrznym obwód (U1 = J1 r1). Obszar zacieniony na rysunku jest proporcjonalny do mocy P1 przydzielonej do obciążenia rn1:

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

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

https://pandia.ru/text/78/022/images/image026_13.gif" szerokość="21" wysokość="12"> https://pandia.ru/text/78/022/images/image031_11.gif"width="12" height="31"> Krzem typu n, wycięty z monokryształu, na którego powierzchni przez ogrzewanie w temperaturze w temperaturze ~1200 0C w parach BCl3 tworzy się cienki film 2 krzem typu p. Kontakt obwodu zewnętrznego z obszarem p odbywa się poprzez metalowy pasek 3 , natryskiwany na jego powierzchnię. Aby utworzyć kontakt 4 w przypadku obszaru n część folii zewnętrznej jest szlifowana.

PROCEDURA WYKONANIA PRACY

Ćwiczenie 1. Usunięcie charakterystyki prądowo-napięciowej fotokomórki zaworu

1. Po zapoznaniu się z niniejszą instrukcją dokładnie zapoznaj się z instalacją.

2. Zmieniając rezystancję rn z 10 na 900 Ohm, przy stałym oświetleniu, przyjąć 8 - 10 wartości napięcia i prądu (odległość źródła światła od fotokomórki l= 5cm).

3. Powtórz krok 2 dla l= 10 i 15 cm.

4. Konstruować rodzinę charakterystyk prądowo-napięciowych.

Zadanie 2. Badanie charakterystyk prądowo-napięciowych fotokomórki zaworowej

1. Dla każdego oświetlenia z odpowiedniej charakterystyki prądowo-napięciowej wyznacz maksymalną moc fotoprądu Pmax i dla tego przypadku korzystając ze wzoru (7) oblicz wydajność fotokomórki. Oświetlenie E oblicza się na podstawie natężenia światła Jl źródła i odległości l według formuły.

2. Znając Pmax dla całego oświetlenia, oblicz optymalną rezystancję obciążenia rn korzystając ze wzoru (6). Hurt Skonstruuj wykres rn. opcja = f(E).

3. Konstruuj wykresy Jк. з = f(E) i Ux. x = f(E).

PYTANIA KONTROLNE

1. Na czym polega zjawisko wewnętrznego efektu fotoelektrycznego?

2. Jaka jest różnica między półprzewodnikiem typu n a półprzewodnikiem typu p?

3. W jaki sposób osiąga się pożądany rodzaj przewodności półprzewodnika?

4. Narysuj diagram energetyczny półprzewodników typu n i p.

5. Wyjaśnić mechanizm powstawania różnicy potencjałów stykowych złącza p-n.

6. Wyjaśnić mechanizm działania złącza p-n jako prostownika prądu przemiennego.

7. Jak działa fotokomórka bramowa?

8. Do czego służy fotokomórka bramkowa?

9. Czy fotokomórka bramkowana może służyć jako detektor promieniowania jonizującego?

10. Gdzie stosuje się fotokomórki bramkowe?

11. Jaki jest mechanizm powstawania foto-EMF fotokomórki zaworowej?

12. Co to jest poziom Fermiego?

13. Podaj kilka przyczyn stosunkowo niskiej sprawności fotokomórek zaworowych.

14. Podaj przewagę fotokomórek zaworowych jako źródła energii elektrycznej nad innymi znanymi Ci fotokomórkami.

15. Jakie są trudności w powszechnym stosowaniu fotokomórek bramkowanych? Horyzont.

BIBLIOGRAFIA

1. Fizyka Trofimowa. M.: Wyżej. szkoła, 19 s.

2. Warsztaty laboratoryjne z fizyki / wyd. . M.: Wyżej. szkoła, 19 s.

Istnieją zewnętrzne fotoefekty wewnętrzne i zaworowe. Zewnętrzny efekt fotoelektryczny (efekt fotoelektryczny) to emisja elektronów przez substancję pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Zewnętrzny efekt fotoelektryczny obserwuje się w ciałach stałych (metale, półprzewodniki, dielektryki), a także w gazach oraz w pojedynczych atomach i cząsteczkach (fotojonizacja). Efekt fotoelektryczny odkrył (1887) G. Hertz, który zaobserwował siłę procesu wyładowania podczas naświetlania iskiernika promieniowaniem ultrafioletowym.

Pierwsze podstawowe badania efektu fotoelektrycznego przeprowadził rosyjski naukowiec A.G. Stoletow. Dwa elektrony (katoda K wykonana z badanego metalu i anoda A w schemacie Stoletowa zastosowano metalową siatkę) w lampie próżniowej są podłączone do akumulatora tak, że za pomocą potencjometru R można zmieniać nie tylko wartości, ale także znak przyłożonego do nich napięcia. Prąd powstający przy oświetleniu katody światłem monochromatycznym (przez okienko kwarcowe) mierzony jest za pomocą miliamperomierza podłączonego do obwodu. Naświetlając katodę światłem o różnej długości fali, Stoletow ustalił następujące wzory, które do dziś nie straciły na znaczeniu:

1. Najskuteczniejsze działanie ma promieniowanie ultrafioletowe.

2. Substancja pod wpływem światła traci tylko ładunki ujemne.

J.J. Thomas w 1898 roku zmierzył ładunek cząstek emitowanych pod wpływem światła (przez odchylenie pola elektrycznego i magnetycznego). Pomiary te wykazały, że elektrony powstają pod wpływem światła.

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny to swobodne przejście elektronów wewnątrz półprzewodnika lub dielektryka ze stanów związanych wywołanych promieniowaniem elektromagnetycznym bez ucieczki na zewnątrz. W rezultacie wzrasta stężenie nośników prądu wewnątrz ciała, co prowadzi do wystąpienia fotoprzewodnictwa (wzrost przewodności elektrycznej fotoprzewodnika lub dielektryka po oświetleniu) lub pojawienia się pola elektromagnetycznego.

Fotoefekt zaworu

Efekt fotoelektryczny bramki - emf (fotoemf) występuje, gdy oświetlony zostanie kontakt dwóch różnych półprzewodników lub półprzewodnika i metalu (przy braku zewnętrznego pola elektrycznego). Efekt fotoelektryczny zaworu otwiera zatem drogę do bezpośredniej konwersji energii słonecznej na energię elektryczną

Charakterystyka prądowo-napięciowa efektu fotoelektrycznego

Charakterystyką prądowo-napięciową efektu fotoelektrycznego jest zależność fotoprądu I generowanego przez przepływ elektronów emitowanych przez katodę pod wpływem prądu od napięcia U pomiędzy elektrodami. Zależność ta odpowiada dwóm różnym oświetleniu E e katody (częstotliwość świecenia jest w obu przypadkach taka sama). Wraz ze wzrostem U fotoprąd stopniowo rośnie, tj. coraz większa liczba fotoelektronów dociera do anody. Płaski charakter krzywych pokazuje, że elektrony są emitowane z katody z różnymi prędkościami. Maksymalna wartość prądu I us – fotoprądu nasycenia – jest określona przez wartość U, przy której wszystkie elektrony wyemitowane przez katodę docierają do anody.

Z charakterystyki prądowo-napięciowej wynika, że ​​przy U = 0 fotoprąd nie zanika. W rezultacie elektrony wybijane z katody przez światło mają pewną prędkość początkową v, a zatem niezerową energię kinetyczną i mogą dotrzeć do anody bez pola zewnętrznego. Aby fotoprąd osiągnął wartość zerową, konieczne jest przyłożenie napięcia opóźniającego U 0 . Przy U = U 0 żaden z elektronów, nawet tych o maksymalnej prędkości vmax na wyjściu z katody, nie jest w stanie pokonać pola opóźniającego i dotrzeć do anody. Stąd,

Gdzie n jest liczbą elektronów emitowanych przez katodę w ciągu 1 s.

mv 2 max /2= e U 0

te. Mierząc napięcie powstrzymujące U0, można wyznaczyć maksymalne wartości prędkości i energii kinetycznej fotoelektronów.

Podczas emisji charakterystyk prądowo-napięciowych różnych materiałów (ważna jest częstotliwość powierzchni, dlatego pomiary przeprowadza się w próżni i na świeżych powierzchniach) przy różnych częstotliwościach promieniowania padającego na katodę i różnej energii oświetlenia katody oraz uogólniając na podstawie uzyskanych danych ustalono następujące trzy prawa zewnętrznego efektu fotoelektrycznego.

Bateria słoneczna– urządzenie umożliwiające bezpośrednią konwersję energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Działanie baterii słonecznej opiera się na efekcie fotoelektrycznym zaworu (VFE). Fotoefekt zaworu– występowanie pola elektromagnetycznego (fotoEMF) podczas oświetlania struktury składającej się z różnych elementów. Elementami takiej konstrukcji może być metal i półprzewodnik (styk Schottky'ego); dwa półprzewodniki o różnych rodzajach przewodnictwa ( P- N przemiana); dwa półprzewodniki różniące się składem chemicznym (heterostrukturą). Zjawisko to po raz pierwszy odkryli L. Grundahl i niezależnie od niego B. Lange w 1930 roku. [UFN, 1934] w stykach Schottky'ego na bazie metalu tlenek miedzi i miedzi (Cu- Cu 2 O) . Jednak wydajność takich urządzeń wynosiła zaledwie kilka procent, dlatego nie były one wówczas powszechnie stosowane. Praktyczne zastosowanie paneli słonecznych ( SB) uzyskano, gdy styki Schottky'ego zastąpiono najpierw germanem, a następnie fotokomórkami krzemowymi P- N przejście, charakteryzujące się znacznie wyższą wydajnością. Panele słoneczne były używane głównie jako generatory elektryczne na statkach kosmicznych. Już trzeci sztuczny satelita Ziemi (1958) był zasilany energią z paneli słonecznych. Obecnie SB są produkowane przez przemysł, mają moc kilkudziesięciu kilowatów i wydajność. akumulatory oparte na heterostrukturach z nowych materiałów półprzewodnikowych sięga 30%.

Fizyczne podstawy efektu fotoelektrycznego bramki

Efekt fotoelektryczny bramki opiera się na dwóch podstawowych zjawiskach:

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny to powstawanie nierównowagowych nośników ładunku podczas naświetlania półprzewodnika promieniowaniem elektromagnetycznym o energii kwantowej wystarczającej do takiego wytworzenia (patrz praca „Wewnętrzny efekt fotoelektryczny w jednorodnych półprzewodnikach”). Maksymalna wydajność ogniw słonecznych jest możliwe jedynie w przypadku „wewnętrznej fotoprzewodnictwa”, czyli tzw. sytuacje, gdy po absorpcji kwantu światła elektron przechodzi z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i pojawia się para nierównowagowych nośników ładunku - elektron i dziura.

Jednak te nierównowagowe nośniki ładunku nie są oddzielone przestrzennie i fotoEMF nie powstaje, dopóki elektron i dziura nie zostaną rozdzielone w przestrzeni. Funkcja ta realizowana jest poprzez kontakt półprzewodnika z metalem (styk Schottky’ego) lub pomiędzy półprzewodnikami (styk Schottky’ego). P- N przejście, heterostruktura)

Rozważmy proces rozdzielania nierównowagowych nośników ładunku P- N przemiana. Rysunek 1 przedstawia typową konstrukcję fotokomórki bramkowej z P- N przejście (fotodioda), a na ryc. 2 - włączenie fotokomórki w obwód zewnętrzny.

Gdy jest oświetlony P– obszarze, promieniowanie jest w nim pochłaniane i wytwarza pary elektron-dziura. Ponieważ stężenie tych i innych nośników jest maksymalne na powierzchni, dyfundują one głębiej P–regiony, do P- N przemiana. Elektrony (nośniki mniejszościowe w R-obszary) są przenoszone przez pole kontaktu do N-obszar, ładując go ujemnie. Dla głównych nośników ładunku (w tym przypadku są to dziury) na granicy istnieje bariera potencjału, której nie są w stanie pokonać i dlatego dziury pozostają w P- obszar, ładując go dodatnio. Zatem pole elektryczne styku oddziela przestrzennie nierównowagowe elektrony i dziury powstałe pod wpływem światła. Wsiadanie N-regionie, elektrony redukują znajdujący się w nim dodatni ładunek kosmiczny i pozostające w nim dziury P-regiony, zmniejsz objętościowy ładunek ujemny (patrz praca „Zjawiska kontaktowe w półprzewodnikach”). Jest to równoznaczne ze złożeniem wniosku P- N przejście do przodu φ , obniżając barierę potencjału o pewną kwotę miφ , Gdzie mi - ładunek elektronu (ryc. 3).

Rys. 3. PodświetlaneP- N-przemiana. Bariera potencjału zarówno dla elektronów, jak i dziur zmniejsza się wraz z ilością fotowoltaiki.

Przenoszenie elektronów P-N- przejście tworzy fotoprąd - I F, któremu, ponieważ jest wytwarzany przez głośniki mniejszości, przypisuje się znak ujemny. Obniżenie bariery powoduje wzrost prądu głównych nośników, co w fotokomórkach nazywa się prąd upływowy

I Na = I S do potęgi(miφ / kT). (1)

Zatem przez złącze przepływają następujące prądy: nośniki mniejszościowe: -I S, główne media: I S eksp (npφ /kT) i fotoprąd:– I F . Całkowity prąd przepływający p-n- przejście jest równe

ja = ja S (exp(eφ/kT) -1) - I F . (2)

Mniejszościowy prąd nośny

, (3)

gdzie i są stężeniami nośników ładunku mniejszościowego, są długościami dyfuzji i są współczynnikami dyfuzji elektronów i dziur. Fotoprąd jest w pierwszym przybliżeniu proporcjonalny do oświetlenia fotokomórki F.

Zależność fotoEMF fotokomórki zaworu od obciążenia zewnętrznego

Równanie 2 opisuje charakterystykę prądowo-napięciową idealnej fotodiody. Zgodnie z prawem Ohma prąd w obwodzie zewnętrznym (ryc. 2) jest równy

Od (2) i (4) przy otwartym obwodzie zewnętrznym, tj. Na R →∞, uzyskujemy dla photoEMF (photoEMF „no-load”)

Jeśli rezystancja obciążenia jest mała ( R →0), wówczas prąd zwarciowy będzie po prostu równy fotoprądowi I kz = I F. Wygląd charakterystyki prądowo-napięciowej idealnej fotokomórki bramkowej pokazano na rys. 4.

Ryc.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotokomórki krzemowej. KropkaA na rysunku odpowiada pracy przy optymalnym obciążeniu zewnętrznym (przy największej mocy generatora fotowoltaicznego)

Jak wynika z f.2.4 i rys.4, wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia fotoEMF wzrasta, osiągając wartość graniczną φ XX, a fotoprąd maleje. Moc dostarczana przez generator fotoelektryczny do obwodu zewnętrznego jest równa I F · φ. Przy optymalnym doborze rezystancji obwodu zewnętrznego moc ta będzie maksymalna (ryc. 4).

Jak wynika z rys. 3, maksymalna wartość fotoEMF nie może przekroczyć wartości φ max ≈ mi G / mi, Gdzie mi G – pasmo wzbronione półprzewodnika. Tak naprawdę z szeregu powodów, których nie uwzględniliśmy w pierwszym przybliżeniu, maksymalna wartość fotowoltaiki wyniesie około 2/3 mi G / mi. Do krzemowych (Si) ogniw słonecznych z pasmem wzbronionym mi G≈ 1 eV będzie wynosić φ max ≈600 mV, fotokomórki z germanu (Ge) φ max ≈400 mV, fotokomórki z arsenku galu (GaAs) φ max ≈ 1 V. Aby uzyskać wysokie napięcia, fotokomórki łączy się szeregowo z wzajemnie, aby uzyskać wysokie prądy - równolegle, tworząc w ten sposób baterię słoneczną (rys. 5,6).