Лабораторна робота №102

ВИЗНАЧЕННЯ ІНТЕГРАЛЬНОЇ ЧУТЛИВОСТІ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЕЛЕМЕНТА

Мета роботи: ознайомитись з явищем вентильного фотоефекту та визначити інтегральну чутливість фотоелемента.

Прилади і матеріали: селеновий вентильний фотоелемент, мікро-амперметр, оптична лава, освітлювач.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Вентильні фотоелементи

Вентильні фотоелементи використовуються для перетво-рення енергії випромінювання в електричну енергію. Вони є фотодіодами, які працюють без джерела зовнішньої напруги і створюють власну електрорушійну силу під дією випромінювання.

Проаналізуємо явища, які відбуваються на n-p-переході вентильного фотоелемента (фотоелемента зі запірним шаром) при попаданні на нього світла. Фотони, які попадають в область

n-p-переходу, обумовлюють генерацію рухомих зарядів. Електрони і дірки, які виникають в n- і p-областях, дифузують до переходу, і, якщо вони не встигли рекомбінувати, то попадають під дію внутрішнього електричного поля запірного шару. Це поле розділяє електрони і дірки. Для неосновних носіїв, наприклад, для електронів в p-області, поле запірного шару є прискорюючим. Аналогічно дірки перекидаються прискорюючим полем із n-області в p-область. Для основних носіїв, наприклад, дірок в p-області, електричне поле запірного шару є гальмуючим. Тому основні носії залишаються в своїх областях, тобто дірки залишаються в p-області, а електрони в n-області. В результаті таких процесів в n- і p-областях накопичуються надлишкові основні носії і виникає різниця потенціалів, яку називають фотоелектрорушійною силою. Із збільшенням світлового потоку фото е.р.с. зростає по нелінійному закону.

В даний час найбільш широкого застосування набувають кремнієві вентильні фотоелементи. Вони перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну. Їх фото е.р.с. досягає 0.5В. Із таких елементів при їх послідовному і паралельному з’єднаннях створюють сонячні батареї, які мають порівняно високий к.к.д. і можуть розвивати потужність до декількох кВт. Сонячні батареї із кремнієвих фотоелементів – це основні джерела живлення на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, автоматичних метеостанціях і ін. Практичне використання сонячних батарей набуває все більшого значення.

1.2 Інтегральна чутливість вентильного фотоелемента

Інтегральною чутливістю фотоелемента називається відношення величини фотоструму і до величини світлового потоку Ф, який падає на фотоелемент:

. (102.1)

Світловий потік рівний добутку освітленості Е фотоелемента на його площу S:

. (102.2)

Якщо світловий потік падає нормально на поверхню фотоелемента, то, згідно закону освітленості:

, (102.3)

де I – сила світла лампи розжарення; l – відстань від джерела світла до фотоелемента. Підставивши (102.3) в (102.2), отримаємо:

. (102.4)

Враховуючи (102.4), формула (102.1) набуває вигляду:

. (102.5)

Інтегральна чутливість вимірюється в амперах, поділених на люмен (А/лм).

Експериментальна установка складається з селенового фотоелемента і освітлювача, розміщених на оптичній лаві. При цьому нитка розжарення лампочки повинна бути встановлена на одній висоті з центром фотоелемента. Селеновий фотоелемент складається із металевої пластинки М, на яку нанесено шар селену А, а поверх нього - напівпрозорий шар золота С. На межі селену і золота виникає запірний шар В (n-p-перехід типу “дірковий напівпровідник – метал”) (рис.102.1). Якщо шар золота з’єднати через мікроамперметр із пластинкою і освітити n-p-перехід зі сторони шару золота, то неосновні для даної області носії (електрони в селені і дірки в золоті, які виникають під дією світлового потоку Ф, без перешкод переходять через n-p-перехід (рис.1). В результаті цього в селені нагромаджується надлишковий позитивний заряд, а в золоті – надлишковий негативний заряд. Контакт “метал – дірковий напівпровідник” має односторонню провідність, тому фотоелемент називається вентильним (із запірним шаром).

Рисунок 102.1

Інтегральна чутливість γ селенових вентильних фотоелементів досягає декількох сотень мкА/лм. Вони мають спектральну характеристику майже таку саму, як у людського ока. По цій причині селенові фотоелементи мають широке застосування для різних фотометричних методів. Суттєвим недоліком вентильних фотоелементів є низькі частотні властивості і значна залежність інтегральної чутливості від температури.