Электронно-дырочный переход

Лабораторная работа

«Работа фотоэлемента в режиме фото ЭДС».

Цель работы:

1. Изучить работу фотоэлемента;

2. Измерить вольт - амперную характеристику фотоэлемента от величины нагрузочного сопротивления.

3. Рассчитать мощность во внешней цепи фотоэлемента в зависимости от сопротивления нагрузки.

Фотоэлемент это устройство, предназначенное для преобразования энергии светового потока в электрическую энергию. Фотоэлементы применяются в виде: фотоприемников, солнечных батарей и измерителей светового потока.

Введение

Работа фотоэлемента основана на способности p-n перехода, пространственно разделять фотоносители, что приводит к возникновению ЭДС.

Эффект возникновения фото ЭДС используется в фотоэлектронных приборах для определения величины светового потока и выработки электрической энергии в солнечных элементах.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным (или n–p) переходом – называется контакт двух полупроводников с разными типами проводимости.

Образование p-n перехода. При образовании контакта двух полупроводников с n- и p-типами проводимости происходит процесс диффузии: дырок из p-области в n-область, а электронов, из n-области в p-область. В результате ухода подвижных носителей рядом с контактом, образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв, образованных неподвижными атомами ионизированной примеси (доноров Q_D + и акцепторов Q_A.)

Заряд ионизированной примеси (доноров Q_D + и акцепторов Q_A.) создает поле p-n перехода E(x ), которое направлено из n -области в p -область рис.1.

рис.1.Строение p-n перехода

При освещении p-n перехода образуются электронно-дырочные пары. Поле p-n перехода E(x ) переносит образовавшиеся электроны из p области в n область, а дырки из n области в р область. В результате в накопления избыточных носителей n область заряжается отрицательно, а p область положительно. Заряд избыточных фотоносителей определяет величину Фото ЭДС и поле накопленного зарядаE_НЗ рис. 2

Рис. 2. Схематическое изображение фотоэлемента и схема его включения:

n – эмиттер, p – база.

2. ФотоЭДС на p-n переходе.

Вольт - амперная характеристика имеет вид:

. (1)

В отсутствии внешнего источника V _G=0, напряжение фотоэлемента приложено к нагрузочному сопротивлению и обусловлено фототоком при освещении фотоэлемента. Рассмотрим два частных случая уравнения (1).

2.1 Разомкнутая цепь.

При разомкнутой внешней цепи () ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотоэлемента будет максимальным и равным ЭДС фотоэлемента. Эту величину называют напряжением холостого хода V _ХХ. Из уравнения (1), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J _ф и тока нагрузки J _s рассчитать напряжение холостого хода V _XX:

. (2)

Напряжение V _ХХ (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотоэлемента вольтметр в отсутствие нагрузки.

2.3 Режим с подключённой нагрузкой.

При подключении внешней нагрузки, т. е. сопротивления к внешним контактам p-n перехода большая часть накопленных фотоносителей в p и n областях

В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотоэлемента V _G = 0. Тогда из уравнения (1) следует, что ток короткого замыкания J _кз во внешней цепи равен фототоку J _Ф:

. (3)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J_Ф.

Работа фото элемента

Фотоэлемент используется для преобразования световой энергии в электрическую, как источник электрической энергии.

Источник электрической энергии это устройство, с помощью которого создается и поддерживается разность потенциалов. Закон Ома для полной цепи можно записать в виде

ξ – электродвижущая сила, r – внутреннее сопротивление источника питания, R – сопротивление внешней нагрузки.

Падение напряжения на внешней нагрузке можно представить из закона Ома:

ξ = I(R+r) =U +Ir

следующим образом

U = ξ - Ir

Последнее выражение показывает, чем больше ток источника питания, тем меньше падение напряжения во внешней цепи. Следовательно, существует такое соотношение между током и напряжением, которое соответствует режиму работы источника, при котором выделяется максимальная мощность.

Внутреннее сопротивление источника питания можно определить в режиме короткого замыкания, когда сопротивление внешней нагрузки R=0:

r – внутреннее сопротивление источника питания, которое характеризует способность фотоэлемента разделять носители внутри источника, т. к. ток короткого замыкания равен фототоку внутри источника питания I_КЗ=I_Ф.

Приборы:

Вольтметр ТЕС23, источник питания, люксметр, фотоэлемент.

Освещённость определяют с помощью фотоэлектрического экспонометра.

Предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра. Переносной фотоэлектрический люксметр общепромышленного назначения применяется для контроля освещенности в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства, а также для исследований, проводимых в научных, конструкторских и проектных организациях.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ:
Диапазон измерений люксметра от 0,1 до 100000 Lx,
Класс точности 10

Шкалы прибора неравномерные, градуированы в люксах: одна шкала имеет 100 делений, вторая - 30 делений.
Пределы допустимой погрешности в основном диапазоне измерений 5-30 и 20-100 Lx (без насадок) не должны превышать -/+10% от значения измеряемой освещенности.

Схема установки

Светочувствительная поверхность фотоэлемента S = 30 см²

Порядок работы:

- Включить источник питания ТЕС23 и вольтметр;

- Интенсивность освещения меняется в диапазоне от 10 до 100 люкс с шагом 10 люкс с помощью изменения напряжения на источнике питания осветительной лампы ТС-23 (ручка ФИНО),.

- Измерение интенсивности излучения производится при нажатой правой кнопке люксметра (предел100 люкс).

-При каждом уровне освещенности с помощью вольтметра фиксировать значение напряжения U_н на нагрузочном сопротивлении, измерение фото ЭДС производить при отжатой кнопке (предела 100 люкс). Нажатием левой кнопки люксметра отключается нагрузка и проводится измерение ЭДС датчика в режиме холостого хода.

Результаты записать в виде таблицы в экспериментальный журнал.

- Вывести ручку источника питания ФИНО на 0;

Таблица измерений

Интенсивность (Lx)	U_Н (В)	ЭДС (шкала 100Lx)

Расчет внутреннего сопротивления фото датчика:

Определить внутреннее сопротивление источника фотодатчика по закону Ома для полной цепи: I=ξ/(R+r).

- внутреннее сопротивления фото датчика.

где R = 2150 ом - сопротивление нагрузки, ε - ЭДС без нагрузки, U – ЭДС с нагрузкой.

Определите ток короткого замыкания:

Квантовый выход – число электронов выбиваемых одним фотоном.

Расчет квантового выхода:

Число фотонов