Полупроводниковый фотоэлемент принцип работы кратко

Обновлено: 05.07.2024

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

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии.

Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с p—n-переходом в качестве выпрямляющего перехода. При освещении фотоэле­мента из-за поглощения квантов света в р-п-переходе и областях полупроводника, приле­гающих к p—n-переходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное элек­трическое поле, существующее в p—n-переходе, производит разделение неравновесных носите­лей заряда.

Другими словами, если рассматривать энергетическую диаграмму p—n-перехода (см. рис. 5.7), то неравновесные электроны скатываются с потен­циального барьера и попадают в п-область, дырки, наоборот, попадают в р-область. В результате накопления электронов в n-области и дырок в р-области между этими областями возни­кает дополнительная разность потенциалов – фото-ЭДС.

Кроме составляющей фото-ЭДС, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем p—n-перехода или другого потенциального барьера и которая является основ­ной в фотоэлементах, могут быть и другие составляющие. При освещении полупроводника появляется градиент концентрации электронов и дырок, которые диффундируют от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффу­зии электронов и дырок различны. Поэтому возникает вторая составляющая фото-ЭДС. Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата носителей одного знака возникает третья составляющая фото-ЭДС в результате диффузии в глубь полупроводника носителей заряда другого знака.

Фотоэлементом называют электронный прибор, преобразующий энергию фотонов в электрическую. Их классифицируют на электровакуумные и полупроводниковые. Принцип работы фотоэлемента основан на явление фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый в мире фотоэлемент, на внешнем фотоэффекте, создал российский ученый Александр Столетов.


Принцип действия полупроводниковых фотоэлементов

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниковых фотоэлементах начинает идти процесс перераспределение электронов в соответствии с их энергетическим состоянием под воздействием светового излучения.

Преобразование световой энергии в электрическую осуществляется в неоднородных полупроводниковых структурах. Неоднородность последних создается с помощью легирования, соединения, и изменения химического состава компонента. Т.е, возникает некоторый градиент изменения ширины запрещенной зоны полупроводника под воздействием светового потока, что приводит к генерации электродвижущей силы (ЭДС).

Эффективность фотоэлемента зависит от следующих свойств и условий:

фотопроводимости полупроводников
прохождения части излучения сквозь фотоэлектрический преобразователь без преобразования
рассеяния и отражения проецируемого света
внутреннего сопротивления фотоэлемента
рекомбинации образовавшихся фотоэлектронных пар
других химических и физических свойств.

Это физическое явление используется в таких радиоэлементах, как фоторезистор. Эта такая разновидность резисторов, сопротивление которых может изменяться под воздействием светового потока, попадающего на светочувствительную поверхность.

Фотодиод - это разновидность полупроводникового диода, использует также явление фотоэффекта и его обратный ток зависит от уровня освещенности.

С помощью фотоэлементов происходит преобразование последовательности световых изображения в электрический сигнал, этот принцип изспользуется при работе цифровых фотокамер.

Внедрение этих компонентов в альтернативную энергетику позволило создать солнечные батареи и сократить вредные выбросы в атмосферу. Кроме того они нашли широкое применении в роли источников питания космических станций и спутников.

Законы фотоэффекта:


Если радиолюбители распилят диод или транзистор, а затем осветят полупроводниковый переход источником света, то с помощью мультиметра можно увидеть на выводах фотоэлемента небольшой электрический потенциал. Данный эффект часто применяется при создании самодельных светочувствительных сенсоров или демонстрационных стендов в кружках, но для полно функционального преобразования света в электрическую энергию данный метод совершенно не подходит.

Эффективная ширина запрещенной зоны полупроводника зависит от длины волны. Поэтому в фотоэлементах с целью повышения эффективности стали использовать каскадные технологии, дающие возможность разделять свет на различные спектральные составляющие и раздельно облучать фотоэлемент узким диапазоном светового воздействия.

Для изготовления современных фотоэлементов в основном используются кристаллы кремния с различными примесями из химических компонентов и соединений.

Производители фотоэлементов постоянно стараются повысить эффективность оптических и электрических параметров фотоэлементов с помощью применением многокаскадной структуры, просветления и создания антибликовых покрытий.

В настоящее время средняя эффективность промышленного преобразования света в электроэнергию (КПД) доходит до 14-30%, а у лучших лабораторных образцов эффективность может составлять 45-49%.

Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.

Принцип получения электроэнергии

Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала. Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.

Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.

Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.

Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона. А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки. Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.

Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.

Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд. А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо. Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода - это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами. Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук.

Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами. При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.

Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.

Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами.

Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода. В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).

где – работа выхода электрона;

h – постоянная Планка.

Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением

Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода. Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.

Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.

1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.

Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента

Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.

2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.

3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.

4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.

При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.

1. Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.

2. Для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.

3. Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.

4. В телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.

Полупроводниковым фотоэлементом называется полупроводниковый прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает э. д. с., называемая фото-э. д. с. Работа фотоэлемента с запирающим слоем, или, что то же, вентильного фотоэлемента, основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями ().

Поглощение лучистой энергии при освещении поверхности фотоэлемента вблизи -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей заряда электронов и дырок. Образующиеся электроны под действием электрического поля -перехода уходят в слой , дырки — в слой . Это приводит к избытку дырок в слое и электронов в слое . Возникающая разность потенциалов (фото-э. д. с.) между слоями вызывает ток во внешней цепи от электрода к электроду . Величина этого тока зависит от количества электронов и дырок, а следовательно, от светового потока.

Он состоит из пластинки германия 1 с -проводимостью, в которую вплавлен индий 2. В процессе изготовления в пластинке германия, расположенной над индием, образуется область с -проводимостью, на границе которой с германием и создается -переход. Слой германия, расположенный над индием, настолько тонок, что световые лучи свободна проникают в гзону -перехода. Корпус фотоэлемента из органического стекла залит изолирующим компаундом 3, через который проходят два проводниковых вывода.

Они, в частности, применяются на искусственных спутниках Земли для питания их радиостанций.

Фотоэлементы с запирающим слоем имеют высокую чувствительность (до ). Преимущество их перед другими фотоэлементами заключается в том, что они не требуют источника питания. Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной техники и т. д.

Фотодиодом называется полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными -переходом.

Фотодиоды могут работать как с внешним источником питания — фотопреобразовательный режим, так и без внешнего источника — генераторный режим.

При освещении электронной области фотодиода возникают пары электрон — дырка. Дырки, доходят до -перехода, под действием его электрического поля переходят в -область. Следовательно, свет вызывает рост, тока неосновных носителей из -области в -область, ток в цепи возрастает, т. е. появляется световой ток. Изменение тока в цепи, зависящее от освещенности диода, вызывает в нагрузке падение напряжения, пропорциональное величине светового потока, действующего на фотодиод. Фотодиод, работающий в режиме фотопреобразователя, подобен фоторезистору, обладающему большей интегральной чувствительностью. Например, у кремниевых диодов типа она имеет значение а у германиевых типа Темповой ток первого из указанных фотодиодов составляет 1—3 мкА, а второго 10 мкА.

Читайте также: