Приборы и принадлежности:

фотосопротивление, источник света, источник тока, реостат, вольтметр, микроамперметр, ключ.

Теоретические сведения

Полупроводниковые фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, называются фотосопротивлениями (ФС).

Внутренний фотоэффект состоит в переходе электронов за счет энергии поглощенных световых квантов из валентной зоны в зону проводимости. В случае примесных полупроводников электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В результате этих переходов число носителей тока (электронов и дырок) а, следовательно, и проводимость освещенного полупроводника растут.

Чувствительность ФС значительно больше, чем у фотоэлементов, в которых используется внешний фотоэффект. ФС широко используются для сигнализации и автоматизации, а также для обнаружения и измерения светового излучения.

К числу основных характеристик ФС относятся вольт-амперные, световые, спектральные, частотные характеристики.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость фототока I_ф (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока I_т от приложенного напряжения U. Для большинства ФС в рабочем режиме эта зависимость практически линейна. Под фототоком понимают разность между световым I_с и темновым I_т током:

II_с-I_т

Световая характеристика выражает зависимость фототока от падающего на ФС светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики ФС нелинейны.

Спектральная характеристика выражает зависимость чувствительности ФС от длинны световой волны при постоянной величине светового потока и постоянном напряжении.

Частотная характеристика выражает зависимость чувствительности ФС от частоты прерываний светового потока при постоянном приложенном напряжении и постоянном световом потоке.

К наиболее важным параметрам ФС относятся чувствительность удельная, интегральная, спектральная, темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления.

При определении чувствительности ФС необходимо учитывать зависимость фототока от спектрального состава и величины падающего светового потока, а также от величины приложенного напряжения.

Удельная чувствительность К - отношение фототока к произведению падающего светового потока Ф, излучаемого источником света с цветовой температурой 2850 К и создающего освещенность 200 лк, на приложенное к ФС напряжение U:

KI_Ф/ФUI_ф(ESU), (5.1)

где E - освещенность ФС, S - площадь приемной части ФС.

Интегральная чувствительность - произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

KU. (5.2)

Размещено на http://www.allbest.ru

Спектральная чувствительность характеризует силу тока, возникающую под действием излучения в узком интервале длин волн. Спектральную чувствительность ФС отражают спектральные характеристики (на рис. 5.1 приведены зависимости силы тока в относительности силы тока в относительных единицах от длины, падающей световой волны для ФС, сделанный из различных материалов).

Темновое сопротивление r_т - сопротивление ФС при 20С через 30 с после снятия освещенности 200 лк.

Кратность изменения сопртивления r_тr_c - отношение темнового сопротивления ФС к сопротивлению при освещенности 200 лк от источника с цветовой температурой 2850 К.

Рабочее напряжение - напряжение, при котором ФС может быть использовано в течение указанного срока службы без изменения его параметров свыше определенных допустимых значений.

К наиболее распространенным типам ФС относятся ФС-А1, ФС-А4 из сернистого свинца, ФС-Б2 из сернистого висмута, ФС-К1, ФС-К2, ФСК-М1,ФСК-М2 из сернистого кадмия. Буква М добавляется в том случае, если ФС выполнено из монокристалла.

Описание установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Фотосопротивление (рис. 5.2) представляет собой обычное омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника 2, нанесенного на изолирующую подкладку 1 и заключенного между двумя токопроводящими электродами 3. Приемная площадь ФС обычно защищается пленкой прозрачного лака и выполняется в виде квадрата, прямоугольника или круга. В монокристаллических ФС слой полупроводника заменен монокристаллом.

Задание 1.

Снятие вольт-амперных и световых характеристик фотосопротивления

1. Собрать электрическую схему, представленную на рис. 5.3.

2. Снять темновую вольт-амперную характеристику ФС, для чего, не включая источника света, изменять напряжение, подаваемое на ФС, при этом фиксировать значения силы тока I_т. Результаты записать в таблицу.

Размещено на http://www.allbest.ru

3. Включить источник света. При неизменной освещенности (расстояние l фотоэлемента от источника света постоянно), изменяя напряжение, подаваемое на ФС, снимать значение силы тока I_с освещенного фотосопротивления. Результаты записать в таблицу.

4. Построить графики зависимости темнового тока и фототока от напряжения:

I_тf(U)_E; I_Фf(U)_E.

5. При постоянном напряжении U для различных освещенностей ЕI_свl² (где I_св - сила света) измерить значение токов. Результаты измерений представить в виде таблицы.

6. Построить график зависимости фототока от освещенности: I_фf(E)_U.

Задание 2.

Определение удельной чувствительности фотосопротивления и кратности его сопротивления

1. При одном и том же напряжении U, подаваемом на ФС, измерить световой ток I_с при освещенности Е200 лк и темновой ток I_т через 30 с после снятия освещенности 200 лк.

2. Рассчитать кратность изменения сопротивления по формуле

r_тr_сI_сI_т.

3. Рассчитать удельную чувствительность ФС по формуле (5.1)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы:

ознакомление с вентильным фотоэффектом, исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента.

Приборы и принадлежности:

источник света 1, кремниевый вентильный фотоэлемент 2, магазин сопротивления 3, милливольтметр, миллиамперметр.

Теоретические сведения

Размещено на http://www.allbest.ru

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т. е. выпрямляющем, контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в p-n-переходе. Такой переход происходит 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).

Если контакт между полупроводниками р- и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 6.1) расположены на разной высоте, причем в полупроводнике p-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из p-полупроводника А₂ всегда превышает работу выхода из n-полупроводника A₁).

При возникновении контакта (рис. 6.2) происходит обмен носителями тока, в результате которого уровни Ферми выравниваются. В при контактной области образуется так называемый запирающий слой толщиной l_рl_n, обедненный основными носителями тока: электронами со стороны электронного полупроводника, дырками со стороны дырочного полупроводника. Ионы примесей этого слоя создают положительный обьемный заряд в n-области и отрицательный - в p-области. Между p- и n-областями возникает контактная разность потенциалов

U_К(А₂-А₁)е,

Размещено на http://www.allbest.ru

препятствующая движению основных носителей.

Если в отсутствие освещения закоротить наружные концы двух областей p-n-перехода, то тока в цепи не будет. Это означает, что в состоянии равновесия суммарный ток, созданный движением основных и не основных носителей через контактный переход, равен нулю.

Подключение к контакту внешнего напряжения прямой полярности U (плюс со стороны p-полупроводника, минус со стороны n-полупроводника) приводит к уменьшению потенциального барьера запирающего слоя. Число основных носителей, способных проникнуть через p-n-переход, растет, поток не основных носителей при этом не изменяется. Через контакт идет ток в прямом направлении.

Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним полем запирающего слоя. При этом для тока диффузий основных носителей возникает большее сопротивление. Через контакт идет ток обратного направления. При не которой величине обратного направления переход основных носителей через контакт прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только не основными носителями, достигает своего насыщения.

Вольтамперная характеристика не освещенного p-n-перехода представлена на рис. 6.3 (кривая 2). Она может быть описана следующим Выражением:

II_S(e^eU/(kT)-1), (6.1)

Размещено на http://www.allbest.ru

где I_s - ток насыщения, не освещенного p-n-перехода, k - постоянная Больцмана, e - заряд электрона, T - абсолютная темпера тура, знак «» относится соответственно к прямому и обратному направлению внешнего поля, U - напряжение внешнего поля.

Пусть теперь на полупроводник вблизи вентильного контакта падает свет. Концентрация электронно-дырочных пар, возникающих в результате внутреннего фотоэффекта, уменьшается по мере удаления от освещенной поверхности. В результате диффузии электроны и дырки перемещаются к контактному переходу, где происходит их разделение: основные носители области задерживается контактным полем, не основные - ускоряются и свободно проходят через p-n-переход, образуя фототок I_ф, текущий в обратном направлении.

Если цепь разомкнута, то на границах p-n-перехода накапливается обьемный заряд, препятствующий движению не основных носителей. Возникает фото-ЭДС U_ф, полярность которой обратно полярности контактной разности потенциалов. Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается (рис. 6.4). Это в свою очередь вызывает появления так называемого тока утечки I_y, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.

Замкнем p-n-переход на нагрузочное сопротивление r_н (рис. 6.5). По цепи потечет ток I, который можно представить как сумму двух токов:

II_ф+I_у. (6.2)

Размещено на http://www.allbest.ru

Ток утечки I_у рассчитывается по формуле (6.1) для не освещения p-n-перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение U_нIr_н в прямом направлении:

I_уI_S(e^eUн^/(kT)-1).

В режиме короткого замыкания (r_н0) будет U_н0, I_у0, ток I_к.з. внешней цепи равен фототоку, который в свою очередь пропорционален световому потоку Ф:

I_к.з.I_ф; I_фФ. (6.3)

В режиме холостого хода цепь разомкнута, напряжение холостого хода

U_х.х.U_ф, I0, I_фI_у.

Из формулы (6.1) получаем:

I_фI_S(e^eUф^/(kT)-1), (6.4)

откуда следует, что

U_фU_х.х.ln(1). (6.5)

Размещено на http://www.allbest.ru

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

Вольт-амперная характеристика освещенного p-n-перехода представлена на рис. 6.3 (кривая 1). Отрезок Oa (U0) соответствует току короткого замыкания, (r_н0) отрезок Оb (I0) - величине напряжения холостого хода (r_н). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ab, который и представляет собой собственно вольтамперную характеристику p-n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке (постоянной освещенности Е). Участок bc характеризирует работу фотоэлемента при подаче на p-n-переход прямого внешнего напряжения, участок ad - обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).

Размещено на http://www.allbest.ru

При изменении светового потока, а следовательно, и освещенности вольтамперные характеристики смещаются, форма их изменяется. Семейство вольтамперных характеристик вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 6.6. Прямые, проведенные из начала координат под углом , определяемым величиной сопротивления нагрузки (ctgr_н), пересекают характеристику в точках, абсциссы которых дают падения напряжения на нагрузке, а ординаты - ток во внешней цепи, например U₁I₁r_н. Площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности P₁, выделяемой на нагрузке r_н1:

P₁U₁I₁I₁²r_н1. (6.6)

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

Коэффициент полезного действия фотогальванического элемента определяется соотношением

PФPES. (6.7)

Где - так называемая световая отдача, которая для волны длиной 555 нм равна 628 лмВт, S - площадь приемной части фотоэлемента.

Описание установки

Кремниевый вентильный фотоэлемент (рис. 6.8) представляет собой пластинку 1 кремния n-типа, вырезанную из монокристалла, на поверхности которой путем прогрева при температуре 1200С в парах BCl₃ сформирована тонкая пленка 2 кремния p-типа. Контакт внешней цепи с p-областью осуществляется через металлическую полоску 3, напыленную на ее поверхности. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки ошлифовывается.

Задание 1.

Снятия вольт-амперных характеристик кремниевого вентильного фотоэлемента

1. Собрать схему, представленную на рис. 6.7.

2. Изменяя сопротивление r_н от 0 до , при постоянной освещенности снять значения напряжения и тока.

3. Повторить п.2 для пяти различных освещенностей. (Различные освещенности получаются путем изменения расстояния l фотоэлемента до источника света и рассчитываются по формуле ЕI_свl², где I_св - сила света источника).

4. Построить семейство вольтамперных характеристик.

Задание 2.

Исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента

1. Для каждой освещенности из соответствующей вольт-амперной характеристики определить максимальную мощность фототока Р_мах и для этого случая по формуле (6.7) рассчитать КПД фотоэлемента.

2. Зная Р_мах для всех освещенностей, рассчитать по формуле (6.6) оптимальные нагрузочные сопротивления r_н.опт. Построить график r_н.оптf(E) для данного вентильного фотоэлемента.

3. Построить графики I_к.зf(E); U_х.хf(E).

Размещено на Allbest.ru