Различают фотоэффект внешний внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриков), а также в газах и отдельных атомах и молекулах (фото ионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 году) Г. Герцем, наблюдавший усилие процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Два электрона (катод К из исследуемого металла и анод А в схеме Столетова применялось металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батареи так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значения, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности не утратившие свое значения до нашего времени:
1. Наиболее эффективное воздействие оказывает ультрафиолетовое излучение.
2. Под воздействием света вещество теряет только отрицательные заряды.
Дж.Дж. Томас в 1898 г. Измерил уделы заряд испускаемых под воздействием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырабатываются электроны.
Внутренний фотоэффект
Внутренний фотоэффект - это вызванный электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний свободные без вылета наружу. В результате концентрации носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновения фотопроводимости (по повышения электропроводимости фотопроводника или диэлектрика при его освещении) или возникновению э.д.с.
Вентильный фотоэффект
Вентильный фотоэффект- возникает э.д.с (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла(при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую
Вольт-амперная характеристика фотоэффекта
Вольт-Амперная характеристика фотоэффекта - зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием тока от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям Е е 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 тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны испускаемые катодом, достигают анода.
Из вольта-амперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того что бы фототок стал равным нулю необходимо приложить задерживающие напряжение U 0 . При U= U 0 ни один из электронов даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,
Где n - число электронов испускаемое катодом в 1с.
mv 2 max /2= e U 0
т.е. измерив сдерживающиеся напряжение U0, можно определить максимальное значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.
При излучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна частота поверхности, поэтому измерение проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.
Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы при поглощении квантов излучения оптического диапазона в системе, содержащей контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости или в системе полупроводник - металл.
На рис. 3 показана энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения (E c , E v и E F - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми, соответственно, E g -ширина запрещенной зоны).
| Рис.3. Энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения. |
Рис.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода при освещении.
|
При освещении такой системы фотонами с энергией hn > E g , поглощенный свет переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются дырки, т.е. происходит генерация электронно - дырочных пар (рис.4). Поведение неравновесных носителей зависит от того, в какой области системы поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться в широких пределах при освещении. Плотность же основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся от p-n перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега, смогут достигнуть его и под действием контактного электрического поля перейдут в n-область.
Аналогично, если излучение поглощается в n-области, то через p-n переход в p-область выбрасываются только дырки.
Если же пары генерируются в области объемного заряда (р-n перехода), то поле "разводит" носители зарядов таким образом, что они оказываются в той области, где являются основными.
Итак, образованные светом пары, будут разделяться. При этом электроны концентрируются в n-полупроводнике, а дырки - в p-полупроводнике, т.е. p-n переход играет роль "стока" неосновных носителей заряда.
Это накопление зарядов не может продолжаться бесконечно: параллельно с возрастанием концентрации дырок в p-полупроводнике и электронов в n-полупроводнике, возрастает созданное ими электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу неосновных носителей через запирающий слой.
По мере возрастания этого поля увеличивается и обратный поток неосновных носителей. В конце концов наступит динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, сравняется с числом тех же носителей, перемещающихся за тот же промежуток времени в обратном направлении.
Демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым .
Александр Григорьевич Столетов
Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?
Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц - фотонов . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.
Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.
История открытия
Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.
В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).
Александр Эдмонд Беккерель
В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.
Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.
Генрих Герц
В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.
Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод , сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод , представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.
Опыт Столетова
Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.
Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.
Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.
В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.
А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.
Внешний фотоэффект
Внешний фотоэффект
Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом , или фотоэлектронной эмиссией . Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами . Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком .
Первый закон фотоэффекта
Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока . Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.
Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.
Второй закон фотоэффекта
Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .
Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:
Е = h·ν ,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.
Получив энергию Е , электрон совершает работу выхода φ . Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.
Из закона сохранения энергии вытекает равенство:
h·ν=φ + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.
h·ν=φ + mv 2 /2
Третий закон фотоэффекта
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν min (или максимальная длина волны λ max ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ ν min , то фотоэффект уже не происходит.
Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света ν min . При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта , начинается испускание электронов.
h· ν min = φ .
Если частота фотона ниже ν min , его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.
Внутренний фотоэффект
Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).
К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое . Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.
Применение фотоэффекта
Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами . Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.
Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.
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: , 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).
Если контакт между полупроводниками р - и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 1) расположены на разной высоте: в р-типа ближе к валентной зоне, в n-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из р-полупроводника А2 всегда превышает работу выхода из n-полупроводника А1).
https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" width="12" height="221">Вольт-амперная характеристика неосвещенного р - n-перехода представлена на рис. 3 (кривая 2). Она описывается выражением где JS – ток насыщения неосвещенного р - n-перехода; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; U – внешнее напряжение. Знак «» относится соответст-венно к прямому или обратному нап-
равлению внешнего поля.
Если освещать фотоэлемент со стороны р-области, то фотоны света, поглощаясь в тонком поверхностном слое полупроводника, будут передавать свою энергию электронам валентной зоны и переводить их в зону проводимости, тем самым образуя в полупроводнике свободные электроны и дырки (фотоэлектроны и фотодырки) в равных количествах. Образованные в р-области фотоэлектроны являются здесь неосновными носителями. Двигаясь по кристаллу, они частично рекомбинируют с дырками. Но если толщина р-области мала, то значительная часть их доходит до р - n-перехода и переходит в n-область полупроводника, образуя фототок Jф, текущий в обратном направлении. Фотодырки так же, как и собственные дырки, не могут проникнуть в n-область, так как для этого они должны преодолеть потенциальный барьер в области р - n-перехода. Таким образом, р - n-переход разделяет фотоэлектроны и фотодырки.
Если цепь разомкнута, то фотоэлектроны, перешедшие в n-область, создают там избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, тем самым заряжая эту часть полупроводника отрицательно. Фотодырки заряжают р-область положительно. Между обеими частями полупроводника возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. Возникшая фото-ЭДС приложена к р - n-переходу в прямом (пропускном) направлении, поэтому высота потенциального барьера соответственно уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление так называемого тока утечки Jу, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.
Если замкнуть р - n-переход на нагрузочное сопротивление rн (рис. 4), по цепи пойдет ток J, который можно представить как сумму двух токов:
J = Jф – Jу. (2)
Ток утечки Jу рассчитывается по формуле (1) для неосвещенного р - n- перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение Uн = J rн в прямом направлении:https://pandia.ru/text/78/022/images/image012_31.gif" width="25" height="28 src=">~ Ф. (3)
В режиме холостого хода цепь разомкнута (rн = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" width="147" height="57 src=">, (4)
откуда следует, что
https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" width="19" height="15 src=">). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ав , который и представляет собой собственно вольт-амперную характеристику р - n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке. Участок вс характеризует работу фотоэлемента при подаче на р - n-переход прямого внешнего напряжения, участок а d – обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).
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.
https://pandia.ru/text/78/022/images/image017_20.gif" width="231" height="12">
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:https://pandia.ru/text/78/022/images/image020_15.gif" width="136" height="52 src=">, (7)
где https://pandia.ru/text/78/022/images/image022_14.gif" height="50">.gif" width="12">
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?
4. Нарисуйте энергетическую схему полупроводников n - и р-типа.
5. Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов р - n-перехода.
6. Объясните механизм действия р - n-перехода как выпрямителя переменного тока.
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.
2. Лабораторный практикум по физике / Под ред. . М.: Высш. шк., 19с.
Фотоэффект вентильный
Анимация
Описание
Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл. В области неоднородности существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные неравновесные носители. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Вентильная фотоэдс может возникать под действием света генерирующего неосновные носители. Особенно важна вентильная фотоэдс в p-n- переходе и гетеропереходе, т.е. в контакте двух различных по химическому составу полупроводников.
На рис. 1 схематически показано разделение пар, возникающее при освещении p-n- перехода.
Разделение возбуждаемых светом электронно-дырочных пар на p-n переходе
Рис. 1
Вклад в ток дают как носители, генерируемые непосредственно в области p-n - перехода, так и возбуждаемые в припереходных областях и достигающие области сильного поля путем диффузии. В результате разделения пар образуется поправленный поток электронов в n - область и дырок в p - область. При разомкнутой цепи создается ЭДС в пропускном (прямом) направлении p-n - перехода, компенсирующая этот ток.
В зависимости от легирования обеих сторон гетероперехода можно создать p-n - гетеропереход (анизотипный) и n-n - гетеропереход или p-p - гетеропереход (изотипный).
Комбинация различных гетеропереходов и монопереходов образует те или иные гетероструктуры.
Наиболее широко применяются монокристаллические гетеропереходы между полупроводниковыми материалами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al, благодаря близости их ковалентных радиусов.
Фотоэлементы на p-n - переходах или гетеропереходах обладают малой инерционностью и обеспечивают прямое преобразование световой энергии в электрическую.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -3 до -1);
Время существования (log tc от -1 до 7);
Время деградации (log td от -3 до -1);
Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Стандартный фотодиод (лучше с большой приемной площадкой, типа Ф24К или подобный) присоединяется ко входу осциллографа и освещается светом от люминесцентной лампы. Наблюдаем осциллирующую с двойной сетевой частотой (то есть100 Гц) ЭДС.
Применение эффекта
Вентильный (барьерный) фотоэффект используется в фотовольтаических и солнечных элементах, а также в приборах выявления неоднородностей полупроводниковых материалов и фотоприемниках для измерения световых потоков.
Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) - устройство, непосредственно-преобразующее энергию светового излучения в электрическую энергию. Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Наиболее эффективны солнечные батареи, основанные на возбуждении ЭДС на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремнием) или между разнородными проводниками. Мощность солнечной батареи достигает 100 КВт, КПД - 10ё 20 %.