Trabajo de laboratorio No. 58.

Objetivo del trabajo:

1. Familiarícese con el fenómeno del efecto fotoeléctrico de la válvula.

2. Investigar las características de la fotocélula cerrada.

Introducción teórica

El efecto fotoeléctrico de la puerta consiste en la aparición de fotoemf en el contacto rectificador cuando éste está iluminado. La mayor aplicación práctica es el efecto fotoeléctrico de válvula observado en р-n transición.

En la región de la interfaz de semiconductores R-tipo y norte-de tipo, se forma una llamada capa de bloqueo, agotada de los principales portadores de carga: electrones en el lado del semiconductor electrónico y agujeros en el lado del semiconductor hueco. Los iones de las impurezas donadoras y aceptoras de esta capa, respectivamente, crean una carga espacial positiva en norte-área y negativo - en R-regiones Entre R- Y norte- se produce una diferencia de potencial de contacto en las zonas que impide el movimiento de los portadores principales.

Cuando está iluminado р-n transición, por ejemplo, desde el lado R-regiones con luz cuya energía cuántica es suficiente para formar un par electrón-hueco, cerca del límite р-n En esta transición se forman los llamados fotoelectrones y fotoagujeros (efecto fotoeléctrico interno). Formada en R-las áreas de los transportistas participan en el movimiento térmico y se mueven en varias direcciones, incluso hacia р-n transición. Sin embargo, debido a la presencia de una diferencia de potencial de contacto, los agujeros no entrarán en contacto. norte-región. Los electrones, por el contrario, serán atraídos por el campo. norte-área (Figura 1).

Si el circuito de la fotocélula está abierto ( Rn = ∞, modo inactivo), luego la acumulación de fotoelectrones en norte-áreas y fotoagujeros en R-La región conduce a la aparición de una diferencia de potencial adicional entre los electrodos de la fotocélula. Esta diferencia de potencial se llama foto-EMF ( U f xx). La acumulación de portadores en desequilibrio en las regiones correspondientes no puede continuar indefinidamente, ya que al mismo tiempo la altura de la barrera potencial disminuye en la cantidad de la fotoemf resultante. Reducir la altura de la barrera de potencial o reducir la intensidad del campo eléctrico resultante empeora las propiedades de "separación" pn transición.

Si cortocircuita los electrodos de la fotocélula ( R norte = 0), entonces los portadores de carga generados por la luz circularán en el circuito de la fotocélula, creando una fotocorriente de cortocircuito. Si f kz. Magnitud de la foto-EMF sin carga U f xx y fuerza de fotocorriente de cortocircuito si kz determinado por la concentración de portadores de carga formados por la luz, que, a su vez, depende de la iluminación de la fotocélula mi.

Dependencias fotocorrientes si kz y foto-EMF U f xx de la iluminación de la fotocélula mi(o del flujo luminoso Ф = E∙S, Dónde S- área de la superficie receptora de la fotocélula) se denominan características luminosas de la fotocélula (Figura 2).

De lo anterior se deduce que una fotocélula de válvula permite la conversión directa de energía radiante en energía eléctrica. Para utilizar la energía eléctrica recibida, es necesario incluir una resistencia de carga en el circuito de la fotocélula. R n. La potencia útil se liberará ante esta resistencia.

P = Yo∙U = Yo 2 ∙R norte,(1)

Dónde I- intensidad de corriente en el circuito de la fotocélula ( I< I ф кз ), A,

Ud.- tensión en los contactos de la fotocélula ( Ud.< U ф хх ), EN.

Fuerza actual I, Voltaje Ud., y por lo tanto poder PAG con iluminación constante está determinada por el valor de la resistencia de carga. R n. Cambio de resistencia rn de ∞ a 0, puedes obtener la dependencia U(yo), que se denomina característica de carga de la fotocélula de la válvula (Figura 3).

Una disminución del voltaje en los terminales de la fotocélula con un aumento de la corriente de carga se asocia con una pérdida de voltaje a través de la resistencia interna de la fotocélula. En modo de cortocircuito, cuando rn es igual a cero, toda la tensión desarrollada por la fotocélula U f xx cae a través de la resistencia interna y el voltaje en la salida de la fotocélula también es cero.

En la práctica, la resistencia de carga se selecciona de tal manera que la potencia liberada a través de ella sea máxima. En este caso, el valor máximo (para una iluminación determinada) lo alcanza la eficiencia de la fotocélula de la válvula, que está determinada por la relación

η = P∙Ψ / Ф = P∙Ψ /(E∙S),(2)

donde Ψ es la llamada eficiencia luminosa, que para una longitud de onda λ = 535 nm equivale a 628 lm/W.

Las fotocélulas de puerta están hechas de selenio, silicio, germanio, sulfuro de plata y otros materiales semiconductores. Se utilizan ampliamente en automatización, tecnología de medición, computadoras y otros dispositivos. Por ejemplo, en instrumentos fotométricos (exposímetros, fotómetros, etc.) se utilizan fotocélulas de selenio, cuya sensibilidad espectral es cercana a la sensibilidad espectral del ojo humano.

Las fotocélulas de silicio se utilizan ampliamente como convertidores de energía solar en energía eléctrica. La eficiencia de las células solares de silicio es ≈ 12%. Un gran número de fotocélulas conectadas entre sí forman una batería solar. El voltaje de los paneles solares alcanza decenas de voltios y la potencia alcanza decenas de kilovatios. Los paneles solares sirven como principal fuente de energía para las naves espaciales.

Descripción de la instalación

Una fotocélula de puerta de silicio es una oblea de silicio cortada de un solo cristal. norte-tipo, en cuya superficie se calienta a una temperatura aproximadamente igual a 1200 0 C en vapor antes de Cristo 3 Se forma una fina película de silicio. R-tipo. La fotocélula está montada sobre un banco óptico a lo largo del cual se mueve la fuente de luz. Al cambiar la distancia entre la superficie de la fotocélula y la fuente de luz, puede cambiar la iluminación de la fotocélula. Valor de iluminancia mi(yo), correspondiente a la distancia yo entre el iluminador y la fotocélula, determinado por la curva de calibración (Figura 5).

Bateria solar– un dispositivo para convertir directamente la energía de la radiación solar en energía eléctrica. El funcionamiento de una batería solar se basa en el efecto fotoeléctrico de la válvula. (VFE). Fotoefecto de válvula– la aparición de campos electromagnéticos (fotoCEM) al iluminar una estructura formada por elementos diferentes. Los componentes de dicha estructura pueden ser un metal y un semiconductor (contacto Schottky); dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad ( pag- norte transición); Dos semiconductores, diferentes en composición química (heteroestructura). Este fenómeno fue descubierto por primera vez por L. Grundahl e, independientemente de él, por B. Lange en 1930. [UFN, 1934] en Contactos Schottky a base de metal cobre y óxido cuproso (Cu- Cu 2 oh) . Sin embargo, la eficiencia de tales dispositivos era solo de un pequeño porcentaje, por lo que no se usaban ampliamente en ese momento. Aplicación práctica de paneles solares ( SB) se obtuvieron cuando los contactos Schottky fueron reemplazados primero por fotocélulas de germanio y luego de silicio con pag- norte transición, con una eficiencia significativamente mayor. Los paneles solares se utilizaron principalmente como generadores eléctricos en naves espaciales. Ya el tercer satélite artificial de la Tierra (1958) recibió energía de paneles solares. Actualmente, los SB son producidos por la industria, tienen una potencia de decenas de kilovatios y eficiencia. Las baterías basadas en heteroestructuras fabricadas con nuevos materiales semiconductores alcanzan el 30%.

Base física del efecto fotoeléctrico de la puerta.

El efecto fotoeléctrico de la puerta se basa en dos fenómenos fundamentales:

El efecto fotoeléctrico interno es la generación de portadores de carga en desequilibrio cuando un semiconductor se irradia con radiación electromagnética con una energía cuántica suficiente para dicha generación (ver el trabajo “Fotoefecto interno en semiconductores homogéneos”). Máxima eficiencia Las células solares sólo son posibles en el caso de “fotoconductividad intrínseca”, es decir, situaciones en las que, tras la absorción de un cuanto de luz, un electrón pasa de la banda de valencia a la banda de conducción y aparece un par de portadores de carga en desequilibrio: un electrón y un agujero.

Pero estos portadores de carga en desequilibrio no están separados espacialmente y la fotoEMF no surge hasta que el electrón y el hueco se separan en el espacio. Esta función se realiza mediante el contacto entre el semiconductor y el metal (contacto Schottky) o entre semiconductores ( pag- norte transición, heteroestructura)

Consideremos el proceso de separar los portadores de carga en desequilibrio en pag- norte transición. La Figura 1 muestra un diseño típico de una fotocélula cerrada con pag- norte transición (fotodiodo), y en la Fig. 2: la inclusión de una fotocélula en un circuito externo.

Cuando está iluminado pag– región, la radiación se absorbe en ella y genera pares electrón-hueco. Dado que la concentración de estos y otros portadores es máxima en la superficie, se difunden más profundamente. pag–regiones, a pag- norte transición. Electrones (portadores minoritarios en R-áreas) son transferidos por el campo de contacto a norte-área, cargándola negativamente. Para los principales portadores de carga (en este caso, son agujeros) existe una barrera potencial en el límite que no pueden superar y por lo tanto los agujeros permanecen en pag- zona, cargándola positivamente. Así, el campo eléctrico del contacto separa espacialmente los electrones en desequilibrio y los huecos formados bajo la influencia de la luz. Entrar en norte-región, los electrones reducen la carga espacial positiva en ella y los huecos que quedan en ella pag-regiones, reducen la carga negativa volumétrica (ver el trabajo “Fenómenos de contacto en semiconductores”). Esto equivale a solicitar pag- norte transición de polarización directa φ , reduciendo la barrera potencial en una cantidad miφ , Dónde mi - carga de electrones (Fig. 3).

Fig. 3. Iluminadopag- norte-transición. La barrera de potencial tanto para los electrones como para los huecos disminuye con la cantidad de fotovoltaje.

Mover electrones a través de pag-norte- la transición crea una fotocorriente - I F, que, al ser producido por hablantes minoritarios, se le asigna un signo negativo. Bajar la barrera conduce a un aumento en la corriente de los portadores principales, que en las fotocélulas se llama corriente de fuga

I en = I s Exp(miφ / kt). (1)

Así, por el cruce fluyen las siguientes corrientes: portadoras minoritarias: -I S, medios principales: I S exp(e)φ /kt) y fotocorriente:– I F . Corriente total a través pn- la transición es igual

yo = yo S (exp(eφ/kT) -1) - Yo F . (2)

Portador minoritario actual

, (3)

donde y son las concentraciones de portadores de carga minoritarios; son las longitudes de difusión y son los coeficientes de difusión de electrones y huecos. La fotocorriente es, en una primera aproximación, proporcional a la iluminación de la fotocélula. F.

Dependencia de la fotoEMF de una fotocélula de válvula de la carga externa

La ecuación 2 describe la característica corriente-voltaje de un fotodiodo ideal. Según la ley de Ohm, la corriente en el circuito externo (Fig.2) es igual a

De (2) y (4) con el circuito externo abierto, es decir en R →∞, obtenemos para photoEMF (photoEMF “sin carga”)

Si la resistencia de carga es pequeña ( R →0), entonces la corriente de cortocircuito será simplemente igual a la fotocorriente I kz = I F. La apariencia de la característica corriente-voltaje de una fotocélula de compuerta ideal se muestra en la figura. 4.

Fig.4. Características corriente-tensión de una fotocélula de silicio. PuntoA en la figura corresponde al funcionamiento con una carga externa óptima (con la mayor potencia del generador fotovoltaico)

Como se desprende de f.2.4 y Fig.4, al aumentar la resistencia de carga, la fotoEMF aumenta, alcanzando el valor límite. φ XX, y la fotocorriente disminuye. La potencia suministrada por el generador fotoeléctrico al circuito externo es igual a I F · φ. Con una elección óptima de la resistencia del circuito externo, esta potencia será máxima (Fig. 4).

Como se desprende de la Fig. 3, el valor máximo de fotoEMF no puede exceder el valor φ max ≈ mi gramo / mi, Dónde mi gramo – La banda prohibida de un semiconductor. De hecho, por una serie de motivos que no hemos tenido en cuenta en la primera aproximación, el valor máximo del fotovoltaje será aproximadamente 2/3 mi gramo / mi. Para células solares de silicio (Si) con banda prohibida mi gramo≈ 1 eV será igual a φ max ≈600 mV, fotocélulas de germanio (Ge) φ max ≈400 mV, fotocélulas de arseniuro de galio (GaAs) φ max ≈ 1 V. Para obtener altos voltajes, las fotocélulas se conectan en serie a entre sí, para obtener corrientes elevadas, en paralelo, formando así una batería solar (Fig. 5,6).

EFECTO FOTOVÁLVULA

Efecto fotoeléctrico en la capa de bloqueo: se produce bajo la influencia de la radiación electromagnética. fuerza electromotriz(fotovoltaje) en un sistema formado por dos contactos diferentes de PP o PP y metal. La mayor practica F. v. es de interés. en la transición p-i y heterounión. F.v. utilizado en energía fotovoltaica. generadores, en PP fotodiodos, fototransistores etc.

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• - Descargador diseñado para proteger equipos eléctricos de redes de corriente alterna de diversas sobretensiones...

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• - VÁLVULA, -yo, m...

  Diccionario explicativo de Ozhegov

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  Diccionario de ortografía-libro de referencia

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• - adj., número de sinónimos: 1 válvula...

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