Исследование преобразователей лучистой энергии. Лабораторная работа №1
Внешние, валентные электроны атомов полупроводника принадлежат кристаллу в целом, при этом они имеют дискретные значения энергии, объединенные в энергетические зоны. Поглощая квант света, электрон занимает более высокий энергетический уровень в кри-сталле, например, переходит из валентной зоны в зону проводимости, создавая в валент-ной зоне вакансию (дырку). В результате появляются дополнительные носители тока – электроны проводимости и дырки. Это явление называется внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект имеет «красную границу»: энергия кванта света (фотона) должна превышать ширину запрещенной зоны EG, разделяющей валентную зону и зону проводи-мости, т.е. hν≥EG, где h – постоянная Планка, ν – частота света. В кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной λ≤1,1 мкм, т.е. для видимого, ультрафиолето-вого и ближнего инфракрасного излучений. Рассмотрим, что происходит в СЭ при освещении. Излучение поглощается в p-области и генерирует в ней электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи p-n перехода. Элект-роны (не основные носители в р-области) перебрасываются контактным полем в n-область, заряжая ее отрицательно. Подавляющая часть дырок не способна преодолеть потенциальный барьер и остается в p-области, заряжая её положительно. Электрическое поле контакта пространственно разде-ляет отрицательные электроны и положительные дырки образующиеся под действием све-та. Вследствие этого на переходе формируется прямое смещение U, понижающее потенци-альный барьер на величину qU, где q – заряд электрона по модулю. Перемещение электро-нов через р-n переход создает ток –Iф, называемый первичным фототоком, которому, как и току неосновных носителей, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который становится равным . Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей –IS, основных носителей и первичный фототок –IФ. Полный ток через p-n переход равен Эта формула описывает вольтамперную характеристику (ВАХ) идеального СЭ. Из нее легко определить прямое смещение напряжения Таким образом, при освещении р-n перехода контактная разность потенциалов в нём уменьшилась на величину U, а другие контактные разности потенциалов не изменились. В результате на клеммах СЭ появилось напряжение U, называемое фото-ЭДС, а в сопро-тивлении – ток I. Следовательно, p-n переход стал источником тока, в котором энергия света преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Так как фото-ЭДС равна понижению контактного напряжения, она не может превысить само контактное напряже-ние U (для кремния примерно 1 В). Как во всяком другом источнике тока в СЭ должны быть сторонние силы, природа кото-рых отличается от сил электростатического поля. Под действием электростатических сил заряды перемещаются в направлении уменьшения потенциальной энергии. Для непре-рывного протекания тока по замкнутой цени необходимо, чтобы хотя бы на одном участ-ке цепи заряды перемещались в направлении от меньшей к большей потенциальной энер-гии, т.е. поднимались на потенциальный барьер. Это участок действия сторонних сил. Их физическая природа может быть различной. В гальванических элементах сторонние силы возникают в результате химических реакций на электродах, а энергия, освобождаемая в (1.1) (1.2)
Slaidy.com
