4. Обработка результатов измерений

1. Построить вольт-амперные характеристики фотодиода.

2. Рассчитать значения фототока i_ф при различных освещенностях поверхности фотодиода по формуле i_ф = i_обр - i₀. Построить световые характеристики в координатах i_ф = f(D²).

3. Построить зависимость фото-Э.Д.С. от величины падающего светового потока в координатах _ф = f(D²).

4. Сделать вывод о характере зависимости фототока и фото-Э.Д.С. от величины светового потока.

5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Перечень электроизмерительных приборов с их характеристиками.

2. Электрическую и оптическую схемы установок.

3. Результаты измерений и расчетов в виде таблиц и графиков.

6. Контрольные вопросы и задания

1. В чем заключается и объясняется явление фотопроводимости в полупроводниках?

2. Какие носители заряда в полупроводнике называются равновесными, какие неравновесными?

3. Чем объясняется возникновение электрического поля в области p-n - перехода и какими зарядами оно создается.

4. Что происходит с неравновесными носителями заряда, возникающими в области p-n - перехода при его освещении?

5. Объясните механизм возникновения фото-Э.Д.С.

6. Какой вид имеет вольт-амперная характеристика p-n - перехода при его освещении? Сравните с “темновой” характеристикой.

7. Объясните, почему освещение сильно влияет на величину обратного тока и незначительно на величину прямого тока p-n - перехода.

8. Почему при снятии прямой ветви вольт-амперной характеристики рекомендуется задавать ток и изменять напряжение, а при снятии обратной - наоборот?

9. Где и в каких приборах применяется вентильный эффект?

7. Литература

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб, изд-во”Лань”, 2009.

2. Бушманов Б.И., Хромов Ю.А. Физика твердого тела, ”Высшая школа”, 1971. – 342 с

3. .Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В двух томах. М.: Мир, 1984.

4. Савельев И.В. Курс физики М.:Наука, 1998-99 г. В 5 томах.

5. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела: электронное учебное пособие, Тюмень, ТюмГНГУ, 2009.

Лабораторная работа № 7-8 изучение полупроводниковых фотоэлементов

Цель работы: изучение преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов.

Содержание работы:

• исследование вольт-амперных характеристик фотоэлемента при различных световых потоках;

• исследование световых характеристик;

• определение максимальной мощности, вычисление оптимального сопротивления нагрузки;

• определение коэффициента полезного действия фотоэлемента.

1. Постановка задачи

1.1. Принцип действия полупроводникового фотоэлемента

Полупроводниковый фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Рис. 1. Энергетические диаграммы полупроводникового фотоэлемента а) без освещения; б) при освещении, но без подключения к нагрузке

_К - контактная разность потенциалов; Uxx - фото-ЭДС (напряжение холостого хода;  E - ширина запрещенной зоны;

_диф - напряженность электрического поля в неосвещенном p-n – переходе (диффузионного поля)

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, он сам является источником электрической энергии. Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с p-n - переходом в качестве выпрямляющего перехода. Энергетическая диаграмма p-n - перехода показана на рис.1, где _к - контактная разность потенциалов; U_хх - фото-Э.Д.С. (напряжение холостого хода); Е - ширина запрещенной зоны; _диф - напряженность электрического поля в неосвещенном p-n - переходе(диффузионного поля).

Величина фото-Э.Д.С. равна разности потенциалов между p- и n- областями при отсутствии тока, т.е. напряжение холостого хода U_хх.

При освещении р-п - перехода происходит поглощение квантов света (если их энергия h больше ширины запрещенной зоны Е): при этом образуются неравновесные носители заряда - фотоэлектроны и фотодырки.

Диффузионное электрическое поле (напряженность _диф), существующее в p-n - переходе, производит разделение неравновесных носителей: фотоэлектроны уходят в n- область, заряжая ее отрицательно, а фотодырки - в p- область, заряжая p- область положительно.

Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с этим процессом происходит понижение высоты потенциального барьера, что ухудшает “разделительные” свойства перехода. Таким образом, в данном p-n - переходе при каждом значении освещенного перехода возникает фото-Э.Д.С. Это явление иногда называют вентильным эффектом или фотовольтаическим эффектом.