В чем заключается вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект. Фото-ЭДС

Рис. 1.29.Механизм возникновения вентильной фото-ЭДС

создавая ионизационный ток If

Напряженность электрического поля Е находится решением уравнения Пуассона, имеющего для одномерного случая вид

Вследствие этого р-область заряжается положительно, а п- отрицательно, что равноценно подаче на р-^-переход прямого напряжения. Под действием этого напряжения через переход потечет ток 1_д в противоположном направлении. При некотором напряжении U₀ установится равновесие, при котором результирующий ток будет равен нулю

Если выводы фотоэлемента замкнуть на внешнюю нагрузку, то напряжение между ними станет меньше U₀, и токи /₇ и 1_д уже не будут компенсировать

друг друга, и в цепи потечет ток:

Мощность, генерируемая фотоэлементом, определяется выражением:

Графически Р определяется площадью прямоугольника, сторонами которого является I и U. Очевидно, что величина Р имеет оптимум (при котором площадь этого прямоугольника максимальна):

Из условия = 0 можно наити условие максимума мощности, отдаваемой в нагрузку:

Коэффициент полезного действия равен отношению мощности на выходе к мощности на входе:

Источник

Вентильный фотоэффект

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: источник света, 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).

При возникновении контакта (рис. 2) происходит обмен носителями заряда, в результате которого уровни Ферми выравниваются. В приконтактной области образуется так называемый запирающий слой толщиной lp + ln, обедненный основными носителями заряда: электронами со стороны электронного полупроводника, дырками со стороны дырочного полупроводника.

Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним полем запирающего слоя. При этом для тока основных носителей возникает большое сопротивление. Через контакт идет ток обратного направления. При некоторой величине обратного напряжения переход основных носителей через контакт прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только неосновными носителями, достигает насыщения.

, (1)

венно к прямому или обратному нап-

равлению внешнего поля.

Рис. 4. Принципиальная схема для снятия вольт-амперной характеристики фотоэлемента

.

В режиме короткого замыкания (rн = 0) будет Uн = 0, Jy = 0, ток Jк. з внешней цепи равен фототоку, который в свою очередь пропорционален световому потоку Ф:

Jк. з = Jф;

В режиме холостого хода цепь разомкнута (rн = ), напряжение холостого хода Uх. х = Uф, J = 0, Jф = Jу.

Из формулы (1) получаем

, (4)

откуда следует, что

. (5)

Таким образом, вентильные фотоэлементы позволяют осуществить непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую, поэтому их также называют фотогальваническими элементами.

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.

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:

. (6)

Оптимальное сопротивление нагрузки rн. опт выбирается так, чтобы эта мощность была максимальной.

Коэффициент полезного действия фотогальванического элемента η определяется соотношением

, (7)

где — световая отдача, которая для волны длиной λ = 555 нм равна 628 лм/Вт; S – площадь приемной части фотоэлемента.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Вентильный фотоэлемент (рис. 6) представляет собой пластинку 1

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?

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.

Источник

Фотоэффект и его виды

Фотоэффект и его виды.

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Фотоэффект:

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

На основе явления фотоэффекта созданы специальные устройства – фотоэлементы. Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) – электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Выделяют внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект, а также вентильный (барьерный) фотоэффект и многофотонный фотоэффект.

Внешний фотоэффект:

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Рудольфом Герцем. Генрих Герц проводил опыты с цинковым разрядником – разрезанным пополам стержнем с парой металлических шариков на концах разреза. На разрядник подавалось высокое напряжение. При облучении цинкового разрядника ультрафиолетом было замечено, что прохождение искры в разряднике заметно облегчалось.

В 1888-1890 гг. Александр Григорьевич Столетов сделал несколько важных открытий в области фотоэффекта, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта.

В 1898 г. Джозеф Джон Томсон экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц – названных позднее электронами.

В 1900-1902 гг. Филипп Эдуард Антон фон Ленард доказал, что энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

В 1905 г. внешний фотоэффект был объяснён Альбертом Эйнштейном.

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Григорьевич Столетов в конце XIX века.

Внутренний фотоэффект:

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Вентильный (барьерный) фотоэффект:

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

Эффект прямого преобразования света в электричество впервые был открыт в 1842 г. Александром Эдмоном Беккерелем.

В 1883 г. Чарльз Фриттс впервые создал первую работающую фотоэлектрическую ячейку, используя полупроводниковый материал селен. Фритц покрыл селен очень тонким слоем золота. Полученная фотоэлектрическая ячейка имела КПД преобразования света в электричество всего около 1%, что в сочетании с высокой стоимостью материала препятствовало использованию таких ячеек для энергоснабжения.

Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в настоящее время в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Многофотонный фотоэффект:

Многофотонный фотоэффект – это явление, при котором изменение электропроводности, возникновение ЭДС или эмиссия электронов происходит вследствие поглощения одновременно энергии не от одного, а от нескольких фотонов. Такой эффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков).

Наиболее часто понятие многофотонный фотоэффект употребляется по отношению к внешнему фотоэффекту

Источник

В чем заключается вентильный фотоэффект

Фотоэффект и его виды

Щелкните по ссылке » Квантовые явления в оптике «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны. Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1. Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2. Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям 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 фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с. Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно, т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона. При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта. Источник ← Realm minecraft что это V1 210 гражданская вакцинация что такое → Вам также понравится Амиксин для чего принимают 16.10.202308.07.2022 admin 0 Как красиво завязывать платки мусульманки 07.10.202312.07.2022 admin 0 Как называется удлинитель для наушников 03.10.202316.07.2022 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email *