Изучение работы фотоэлемента с внутренним фотоэффектом

Цель работы:

Снятие удельной интегральной чувствительности фотосопротивления.

Литература:

Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс физики, 1999 §§ 36,1, 43.6

Трофимова Т.И. «Курс физики», –М.: «Высшая школа»,2002,гл.26 §202

Теоретическое введение:

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и диэлектриков. Он состоит в том, что за счет энергии квантов света электроны приобретают энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в зону проводимости. Освобожденные при облучении электроны не покидают пределы тела, а остаются внутри него, увеличивая электропроводность за счет возрастания в теле числа свободных носителей тока – электронов и дырок.

Напомним кратко некоторые характерные особенности механизма электропроводности полупроводников, который рассматривается в зонной теории.

Согласно квантовой теории, электрон может находиться только на вполне определенных (разрешенных) уровнях энергии. При этом в атоме не может быть более двух электронов с противоположно направленными спинами, одновременно находящихся в одном и том же энергетическом состоянии (принцип Паули). Если N одинаковых атомов сближаются, образуя кристаллическую решетку (а все полупроводники имеют кристаллическую структуру), то вследствие взаимного влияния полей соседних атомов, каждый энергетический уровень электрона «расщепляется» на N близких по величине, но все же различных, уровней. Совокупность разрешенных уровней образует «разрешенную энергетическую зону» – область энергетических состояний, в которых могут, находиться электроны кристалла. Разрешенные зоны отделены друг от друга «запрещенными зонами», охватывающими состояния электронов, которые в данных условиях невозможны.

Электроны могут переходить с одного энергетического уровня на другой только при изменении энергии, т.е. при поглощении или выделении энергии. Такой переход возможен, если в энергетической зоне имеются свободные места. Если же энергетическая зона заполнена, т.е. все уровни заняты электронами, то перейти электронам некуда, пока электронам не будет сообщена энергия, необходимая для перехода в следующую зону. 

В невозбужденном состоянии все электроны занимают низшие энергетические уровни. Поэтому тело может быть отнесено к проводникам только в том случае, если верхняя энергетическая зона или две перекрывающиеся зоны заполнены электронами частично. Тогда под свободными электронами, или электронами проводимости, понимают те электроны, которые находятся в незаполненных энергетических зонах (рис. 47).

Рис. 47

Если в верхней из зон, в которой имеются электроны, все уровни заняты, а ширина запрещенной зоны ∆E, расположенной над занятой, велика по сравнению с энергией теплового движения (∆E >> кТ) (рис.48), то изменение состояний электронов при относительно малых воздействиях на них невозможно. Под действием не слишком сильного электрического поля ток не возникает, электроны не могут покинуть своих мест. Такое твердое тело является диэлектриком. Та же картина уровней, что и в диэлектрике, но при узкой запрещенной зоне, имеет место для полупроводников. Для них ∆E сравнимо с кТ.

Рис 48

Проводимость чистого полупроводника при отсутствии энергетического внешнего воздействия будет равно нулю, т.е. он будет вести себя как изолятор (диэлектрик). Но обычно на полупроводник оказывает воздействие тепловое движение атомов кристалла. Благодаря этому, отдельные электроны приобретают дополнительную энергию Е, достаточную для отрыва от атома, т.е. переходят в зону проводимости, преодолевая потенциальный барьер. С повышением температуры интенсивность теплового движения увеличивается, а вместе с этим увеличивается число электронов в зоне проводимости; электропроводность возрастает. Выход электрона из валентной зоны в зону проводимости сопровождается появлением положительной «дырки» в ранее заполненной зоне, т.е. вакантного места, на которое могут теперь переходить другие электроны заполненной зоны. При возникновении электрического поля в движение придут не только отрицательно заряженные электроны зоны проводимости, но и дырки, которые начнут перемещаться, как положительно заряженные частицы. Общий ток в полупроводнике будет складываться из электронного и дырочного.

Кроме температуры, на электропроводность полупроводников сильное влияние оказывает наличие примесей других веществ. Опыт показывает, что введение в полупроводник ничтожного количества примесей может повысить его проводимость в несколько тысяч раз.

Это объясняется следующим образом (рис. 49).

Рис. 49

Энергетические уровни примесей могут располагаться внутри запрещенной зоны основного полупроводника. По характеру расположения этих уровней примеси делятся на «донорные» и «акцепторные». Энергетические уровни доноров (см. рис. 49) располагаются вблизи зоны проводимости основного полупроводника и являются поставщиками электронов в эту зону. Эти электроны обеспечивают хорошую электронную проводимость в полупроводниках (проводимость n – типа). Уровни акцепторных примесей (рис. 50) располагаются вблизи заполненной зоны полупроводника, электроны которой будут переходить на уровни акцептора. С выходом электронов из заполненной зоны, в последней образуются дырки. Ток в полупроводнике будет осуществляться, главным образом, за счет передвижения этих дырок. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью (проводимостью p – типа).

Рис. 50

В некоторых полупроводниках проводимость резко увеличивается при освещении их поверхности. Это явление названо фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом. При этом действие фотона сводится к отрыванию валентного электрона от атома, другими словами, электрон перемещается из заполненной зоны в зону проводимости.

Очевидно, что фотопроводимость возможна при условии, когда

а граница внутреннего фотоэффекта определяется из условия h n _o= D E (см.рис.48). 

Внутренний фотоэффект может быть использован для преобразования световой энергии в электрическую в фотоэлементах с запирающим слоем – вентильных фотоэлементах. На границе металл-полупроводник или на границе двух полупроводников с различными типами проводимости (в области p – n – переходов) образуется запирающий слой, обладающий односторонней проводимостью. Рассмотрим меднозакисный фотоэлемент (рис. 51). Пластинка меди, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Си₂О. Характер проводимости меди - электронный, проводимость закиси меди – дырочная. На слой закиси меди напыляется тонкий прозрачный слой какого-либо металла, служащий вторым электродом. Если соединить между собой два электрода и осветить прибор, то свет сообщит электронам в слое Си₂О дополнительную энергию, и эти электроны смогут пройти через запирающий слой в направлении Си₂О - Си. За счет этого на электродах возникает разность потенциалов, а во внешней цепи потечет ток I_ф , пропорциональный падающему световому потоку. Фотоэлементы с запирающим слоем являются единственными в своем роде приборами, непосредственно преобразующими световую энергию в электрическую.

Рис. 51

Внутренний фотоэффект нашел применение в фотосопротивлениях, играющих большую роль в различных автоматических устройствах. Фотосопротивление представляет собой пластинку из полупроводника, на концах которой имеются металлические контакты для включения в цепь. При затемненном фотосопротивлении по цепи будет протекать небольшой ток, который называется «темновым». При освещении величина фототока будет возрастать с увеличением светового потока. Фотосопротивления обладают большой чувствительностью. Чувствительность фотосопротивления измеряется в мкА/лм. В зависимости от вещества, из которого сделаны фотосопротивления, они обладают различными спектральными характеристиками и различной интегральной чувствительностью. Интегральной чувствительностью называется величина тока, который течет по цепи, если на фотосопротивление падает световой поток в 1 люмен, по своему спектральному составу соответствующий составу излучения лампы с вольфрамовой нитью, накаленной до температуры 2340 К.

Спектральная чувствительность характеризует величину фототока как функцию длины волны. Обычно ее дают в виде графика. К недостаткам работы фотосопротивлений надо отнести их значительную инерционность и нелинейную зависимость изменения тока от изменения светового потока.