Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом

Фотоэлементы  с внутренним фотоэффектом, их свойства, устройство, принцип работы и применение.

Явление внутреннего фотоэффекта, называемое также явлением фотопроводимости, было открыто американским физиком  У.Смитом в 1873г.  

Фототок, возникающий при  освещении исследуемого полупроводника (1) светом определенной частоты, регистрируется гальванометром (2).  
 

Схема опыта изображена на рисунке 1.

На  рис. 2 и 3 приведены  энергетические схемы  переходов в примесных полупроводниках  
 

Рисунок 2.

Донорный полупроводник 

Рисунок 3.

Акцепторный полупроводник

В примесном полупроводнике под действием света с энергией кванта, превышающей энергию активации примеси DEа, электроны могут переходить с донорных уровней примеси в зону проводимости (рис. 2) или из валентной зоны на акцепторные уровни примеси (рис. 3). В первом случае возникает электронная проводимость, во втором - дырочная.

Кванты  света с энергией меньшей, чем  энергия активации примеси, не поглощаются  электроном, поэтому существует некоторое  граничное значение частоты wb, при которой начинает наблюдаться внутренний фотоэффект в примесных полупроводниках. Граничное значение частоты фотона в этом случае определяется выражением:  
 
 

Если  энергия фотона становится равной ширине запрещенной зоны  
DEg (                   ),   
электроны будут переходить из валентной зоны в зону проводимости. В этом случае возникнет увеличение фототока за счет собственной проводимости полупроводника. 
 

Темп  оптической генерации g, т.е. число неравновесных (избыточных) носителей заряда, образующихся в единице объема в единицу времени при освещении полупроводника, можно представить в виде:  
                                              
                                                       g = haJ,  
 
где h - квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равен отношению числа образующихся носителей к общему числу поглощенных фотонов;  
        a - коэффициент поглощения света;  
        J - монохроматический световой поток, рассчитанный на единицу поверхности полупроводника и определяемый числом фотонов, проходящих через единицу поверхности в единицу времени (будем считать что J - константа (слабо поглощаемый свет) и темп генерации одинаков по всему объему полупроводника).

В стационарном состоянии электропроводность при  освещении dss определяется формулой:  
 
dss = e(mp+mn)gt, 
 
где  t - время жизни неравновесных носителей заряда (время релаксации);  
         mp и mn - подвижности дырок и электронов.

Сущность  явления фотоэффекта заключается в том, что при освещении некоторых полупроводников или диэлектриков электроны отдельных атомов кристаллической решетки вещества, приобретая достаточную по величине дополнительную энергию, открываются от атомов и превращаются в электроны проводимости.

Рисунок 4. Фотоэффект

Рисунок 5. Схема эксперимента по исследованию фотоэффекта.  
Из света берется узкий диапазон частот и направляется на катод внутри вакуумного прибора. Напряжением между катодом и анодом устанавливается энергетический порог между ними. По току судят о достижении электронами анода.

Так как  проводимость полупроводников и  диэлектриков обычно весьма мала, то появление  в них электронов проводимости ведет  к заметному повышению их проводимости, а следовательно, к уменьшению их сопротивления.

При приложенном  к облученному веществу напряжении от внешнего источника возникает  поток электронов проводимости, именуемый  «первичным» фототоком проводимости.

Когда лучистый поток мал, «первичный» фототок  проводимости практически безинерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фотопроводящее вещество.

Дополнительный  поток электронов проводимости, именуемый  «вторичным» током проводимости, инерционен и не пропорционален лучистому  потоку. По числу электронов «вторичный»  ток значительно превышает «первичный».

    В диэлектрике и беспримесном  полупроводнике зона проводимости  не содержит электронов, а лежащая  ниже ее следующая валентная  зона целиком заполнена электронами.

Рисунок 6. Энергетические диаграммы полупроводников: 
а) беспримесного типа  

Рисунок 7. Энергетические диаграммы полупроводников: 
б) n – типа 

Рисунок 8. Энергетические диаграммы полупроводников: 
в) p – типа

Разность W между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации проводимости вещества. У полупроводников W значительно меньше, чем у диэлектриков. Если энергия фотона 
hν ≥W , то при поглощении фотона, электрон может быть переброшен из валентной зоны в зону проводимости.

Под действием света в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – «положительные дырки». Эти пары разноименно заряженных носителей тока способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Концентрация электронов проводимости и дырок, а также зависящая от нее электропроводимость вещества, пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности вещества в единицу времени.

В примесных проводниках с небольшим содержанием примесей вероятность поглощения фотонов электронами примесных атомов мала. Поэтому изменение проводимости под действием света также в основном связано с переносом электронов из валентной зоны в зону проводимости и образованием пар разноименных носителей тока – электронов проводимости и дырок. Однако характер проводимости для электронных (n – типа) и дырочных (p – типа) примесных полупроводников различен.

В электронном полупроводнике имеются примесные донорные уровни 
энергии а, которые находятся вблизи «дна» зоны проводимости и заняты 
электронами (рисунок 7 , б). В процессе образования пар положительные дырки 
рекомбинируют с электронами донорной примеси. Поэтому 
фотопроводимость n – полупроводника имеет чисто электронный характер.

Рисунок 9. Электронный полупроводник

В дырочном полупроводнике поглощение фотонов  вызывает переход 
части электронов из валентной зоны в зону проводимости, а оттуда – на 
вакантные акцепторные примесные уровни с, расположенные вблизи  
верхнего края валентной зоны 
(рисунок 8 , в).

Рисунок 10. Дырочный полупроводник

При этом в валентной зоне образуются «положительные дырки», так 
что фотопроводимость  
p – полупроводника является чисто дырочной.

Рисунок 11. Фотопроводимость

Фотопроводимость  может возникать только под действием  излучения, когда энергия фо- 
тонов  
                                  
                                  E=hν=hc/λ, 
 
(h -постоянная Планка) превышает энергию соответствующего перехода: 
E>Еg  для собственной фотопроводимости или E>ΔЕd, ε>ΔЕa для примесной проводимости (см.рисунки. 12,13).

Рисунок 12. Зона проводимости

Рисунок 13. Акцепторные и донорные примеси.

Фотопроводимость  пропадает при λ>λкр , где λкр - красная граница внутреннего фотоэффекта. Для собственной фотопроводимости:  
 
 
 
Для примесных полупроводников, имеющих малые значения ΔEd или ΔEa , красная граница 
может достигать λкр ~ 20... 50 мкм.  
 

λкр=hc/ Eg

   
Фотоэлектронные приборы:  
Фотоэлементы  
 

Рисунок 14. Типичные конструкции вакуумных фотоэлементов:

А - вывод анода;

К – вывод фотокатода;

ОК - вывод металлического охранного кольца

        (устанавливается для исключения  попадания токов утечки на  нагрузку).  
 

Рисунок 15. Схема включения фотоэлемента с внешним фото­эффектом:

К - фотокатод;

А - анод;

Ф - световой поток;

Е - источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между катодом и анодом электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны;

R_н — нагрузка.  

РИСУНОК 16. Фотоумножители 

Принципиальная  схема ФЭУ с  делителем напряжения:

ФК - фотокатод;

I - фокусирующий электрод;

 Д - диафрагма; 

Э1. . . .Э5 - диноды;

А - анод;

R_Д - сопротивление делителя напряжения;

R_Н — нагрузочное сопротивление в цепи анода;

С_а — емкость анода. 
 

R_Д 

ФК 

I 

Д 

Э₁ 

Э₂ 

Э₃ 

Э₄ 

Э₅ 

А 

R_Н 

С_а