Завдання 5. Дія напівпровідникового фотоелемента

Обладнання: 1) фотоелемент напівпровідниковий на підставці, 2) гальванометр демонстраційний від амперметра, 3) джерело постійного струму напругою близько 1,5 В, 4) реостат на 3000 Ом і 0,3А, 5) лампа електрична на підставці, 6) шнур електричний з вилкою і дроти сполучні.

Перед демонстрацією досліду учнів знайомлять з пристроєм напівпровідникового фотоелемента по стінній таблиці «Фотоелемент», де прилад зображений в розрізі (рис. 6).

Рис.6 Конструкція селенового фотоелемента

Селеновий фотоелемент є залізною пластинкою 2, що покрита тонким шаром селену 3, що має діркову провідність. На поверхню селену нанесений тонкий напівпрозорий шар золота 4. В результаті спеціальної обробки частина атомів золота проникла в селен і утворила в нім тонкий шар з електронною провідністю. На межі двох шарів з різним типом провідності утворився електронно-дірковий перехід.

Від залізної пластинки і плівки золота (на неї покладено контактне кільце 1 зроблені відведення до металевих клем 6. Фотоелемент укріплений в круглому пластмасовому корпусі 5. Пояснюючи будову вентильного фотоелемента, слід підкреслити його принципову схожість з будовою напівпровідникового діода: і той і інший прилад має електронно-дірковий перехід. Для виявлення цього переходу спочатку збирають ланцюг демонстраційного омметра, що застосовуватиметься пізніше в дослідах з діодом. Потім в ланцюг омметра включають затемнений (його закривають від світла) фотоелемент: один раз — при одній полярності, другий раз — при зворотній (рис.7).

По добре помітній зміні струму в ланцюзі роблять висновок про односторонню провідність фотоелемента, тобто про наявність у ньому електронно-діркового переходу.

Після цього демонструють дію фотоелемента. Збирають установку по рис.8 і при денному освітленні виявляють по гальванометру появу слабкого струму в ланцюзі. Потім фотоелемент освітлюють електричною лампою.

Рис.7 Демонстрація електронно-діркового переходу у напівпровідниковому фотоелементі

Рис.8 Демонстрація дії напівпровідникового фотоелемента

Спостерігають, як по міру наближення лампи до фотоелемента струм в ланцюзі збільшується і стрілка гальванометра відхиляється на усю шкалу. При затемненні фотоелемента струм майже припиняється. Таким чином переконуються, що напівпровідниковий фотоелемент є джерелом струму, в якому енергія світла перетвориться безпосередньо в електричну.

Процес виникнення фото електрорушійної сили пояснюють за схемою, представленою на стінній таблиці (рис. 9). Під дією світла в електронному напівпровіднику відбувається інтенсивне утворення вільних носіїв заряду, тобто електронів і дірок, які, беручи участь в тепловому русі, переміщуються в різних напрямках, у тому числі і у напрямку до електронно-діркового переходу.

Тут під дією електричного поля електронно-діркового переходу відбувається розподіл дифундуючих до нього зарядів. Дірки, що утворюються в електронному напівпровіднику, переходять через замикаючий шар в дірковий напівпровідник і скупчуються в нім, електрони ж залишаються в електронному напівпровіднику і заряджають його негативно.

Таким чином, пари що утворилися під дією світла, розділяються: електрони накопичуються в електронному напівпровіднику, а дірки — в дірковому.

Одночасно під дією електричного поля електронно-діркового переходу з діркового напівпровідника в електродний напівпровідник рухаються електрони. В результаті настає динамічна рівновага між потоком дірок і електронів, У цей момент між електродами встановлюється деяка різниця потенціалів, яка і є фото електрорушійною силою фотоелемента.

Рис. 9 Схема дії напівпровідникового фотоелемента

Само собою зрозуміло, що величина фото електрорушійної сили ніколи не може бути більше різниці потенціалів електричного поля електронно-діркового переходу. Тому при збільшенні освітленості фотоелемента його ЕРС спочатку зростає, а потім досягає стану насичення. Графік цієї залежності показаний на рис 9-1.

Далі показують роботу фотоелемента у фотодіодному режимі за допомогою установки, показаної на рис. 7

У ланцюг демонстраційного омметра включають затемнений селеновий фотоелемент так, щоб на його електронно-дірковий перехід було подано зворотну напругу (не більше 0,2В). Демонстраційний гальванометр виявляє слабкий струм, обумовлений рухом через електронно-дірковий перехід не основних носіїв заряду. Потім освітлюють фотоелемент і спостерігають різке зростання струму. Величина струму залежить від інтенсивності освітлення.

Зростання струму в ланцюзі пояснюють явищем фотопровідності, тобто збільшенням концентрації електронів і дірок. При затемненні фотоелемента струм в ланцюзі майже припиняється: усі додаткові носії заряду, що утворилися, рекомбінуються. Фотоелемент, працюючий в такому режимі, називають фотодіодом. Як показує дослід, чутливість фотодіода дуже висока. Вона значно більше, ніж у фотоелемента.

Слід звернути увагу на те, що фотоелемент, працюючий у фотодіодному режимі, ще не є генератором струму, а поводиться подібно до фото резистора, але порівняно з ним має значно більшу чутливістю до світла. Чутливість фотодіода, як і фото резистора, залежить від величини прикладеної напруги.