czułość normalną, odniesioną do srumienia świelnego lub oświelenia wywarzanego przez wzorcowe źródło świała, wydajność kwanową lub zw. charakerysykę c

Transkrypt

1 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI FOTOOPORNIKA I FOTOOGNIWA I. Cel ćwiczenia: wprowadzenie w problemaykę oomerii izycznej półprzewodnikowych deekorów świała widzialnego oraz zbadanie właściwości ooopornika i ooogniwa w oparciu o podsawowe prawo oomerii. II. Przyrządy: ooopornik RPP550, ooogniwo selenowe, mulimer cyrowy VC-10T lub inny o podobnych paramerach, zasilacz sabilizowany 0 10V, żarówka halogenowa 12V/20W, ława opyczna. III. Lieraura: 1. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna.iv i V (oomeria, zjawisko ooelekryczne), 2. C.K. Kiel, Wsęp do izyki ciała sałego (eoria półprzewodników), 3. F. Craword, Fale (zagadnienia ogólne), 4. W.I. Gaponow, Elekronika (eoria, budowa i własności ooogniwa), 5. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone (podsawowe właściwości izyczne półprzewodników, złącze p-n). IV. Wprowadzenie Najbardziej rozpowszechnionymi miernikami srumienia świelnego i oświelenia są przyrządy wyposażone w elemeny świałoczułe, zwane króko ooelemenami, w kórych pod wpływem świała zachodzi bardzo wydajne zjawisko ooelekryczne zewnęrzne (ookomórka, oopowielacz) lub wewnęrzne (ooogniwo, ooopornik, ooranzysor). W ookomórce i oopowielaczu oony padające na elekrodę zwaną ookaodą powodują uwolnienie z niej elekronów, kóre dążąc do anody wywarzają przepływ prądu elekrycznego w obwodzie. Liczba elekronów może być powiększona wskuek wórnej jonizacji gazu w ookomórce gazowanej lub eż wskuek wórnej emisji elekronów z elekrod usawionych w odpowiedni sposób na drodze elekronów od ookaody do anody, jak ma o miejsce w oopowielaczu elekronowym. W pozosałych ooelemenach w wyniku wewnęrznego zjawiska ooelekrycznego zachodzącego pod wpływem absorpcji świała zmienia się koncenracja nośników prądu wewnąrz ośrodka przez co ulega zmianie przewodność elekryczna elemenu. Powsające w odpowiednich warunkach swobodne nośniki ładunku mogą również naruszać równowagę elekryczną w elemencie i wyworzyć siłę elekromooryczną zależną od srumienia świelnego jak ma o miejsce w ooogniwie. W modelu pasmowym ciał sałych ooelekryczne zjawisko wewnęrzne prowadzi do wzrosu sanu energeycznego elekronów w wyniku ich przejść między pasmami energeycznymi na skuek naświelania promieniowaniem elekromagneycznym (również świałem widzialnym) o odpowiedniej częsoliwości zależnej od rodzaju maeriału. Foony absorbowane przez półprzewodnik mogą powodować powsanie nośników prądu w wyniku generacji par elekron-dziura lub w wyniku generacji jednego ypu nośników elekronów lub dziur z aomów domieszkowych (jonizacja donorów lub akceporów w niskich emperaurach). W modelu pasmowym półprzewodnika powsaniu pary elekron-dziura odpowiada przejście elekronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnicwa. Powsaniu swobodnych elekronów lub dziur z aomów domieszkowych odpowiada przejście elekronów z poziomów donorowych do pasma przewodnicwa lub przejście elekronów z pasma walencyjnego na poziomy akceporowe (powsanie nośników dziurowych). Do podsawowych charakerysyk ooelemenu zaliczamy: 1

2 czułość normalną, odniesioną do srumienia świelnego lub oświelenia wywarzanego przez wzorcowe źródło świała, wydajność kwanową lub zw. charakerysykę czy eż czułość widmową, częsość graniczną lub bezwładność elemenu, prąd ciemny płynący przez ooelemen znajdujący się w ciemności. Czułością normalną nazywamy sosunek naężenia prądu płynącego przez ooelemen do wielkości srumienia świelnego lub oświelenia. Czułości normalne podawane są zwykle w amperach na lumen lub amperach na luks. Wydajność kwanowa równa jes liczbowo sosunkowi liczby wyemiowanych ooelekronów lub liczby nowo powsałych swobodnych nośników ładunku do liczby oonów o określonej długości ali, kóre padły na ooelemen. Wydajność kwanowa zależy w sposób isony od długości ali świała. Warunkiem koniecznym na o, aby zjawisko ooelekryczne mogło zachodzić, jes, by energia hν pojedynczego oonu 1 była większa lub równa pracy wyjścia W elekronu z ookaody w przypadku zjawiska ooelekrycznego zewnęrznego. Warunek zajścia zjawiska ooelekrycznego wewnęrznego można zapisać w posaci hν W g zjawisko o. wew. międzypasmowe (1a) hν W c W d zjawisko o. domieszkowe półp. donorowy (1b) hν W a W zjawisko o. domieszkowe półp. akceporowy (1c) gdzie h sała Plancka, ν częsość świała, W g szerokość pasma zabronionego w półprzewodniku, W c energia dna pasma przewodnicwa, W energia wierzchołka pasma walencyjnego, W d energia poziomu donorowego, W a energia poziomu akceporowego, (wymienione poziomy energeyczne uwidocznione są na rys.8). Ponieważ między długością ali świała λ, częsością ν i prędkością c rozchodzenia się świała zachodzi związek c λ= (2) ν o na podsawie wzorów (1a 1c) możemy napisać odpowiednie warunki konieczne na niezerową warość wydajności kwanowej (jeśli zjawisko ooelekryczne wysępuje, o wydajność kwanowa posiada warość większą od zera): hc λ = λgr (3a) W g hc λ W c W d = λ gr (3b) hc λ W a W = λ gr (3c) gdzie λ gr nazywamy graniczną długością ali świała dla zjawiska ooelekrycznego wewnęrznego (odpowiedniego rodzaju). ϑ 1 W przypadku bardzo dużych naężeń świała (np. z lasera) mogą zachodzić procesy wielooonowe, zn. że jeden elekron może zaabsorbować energie kilku oonów. 2

3 Ponieważ koncenracja elekronów w paśmie walencyjnym jes na ogół kilka rzędów wyższa od koncenracji domieszek, o wyraźnego zwiększenia przewodności (również wydajności kwanowej) można oczekiwać, jeśli możliwe są przejścia elekronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnicwa, j. jeśli h W g. Wydajność kwanowa maleje począwszy od pewnej warości długości al przy przechodzeniu w kierunku al krókich. Przedział długości al, w kórym maeriał jes czuły na promieniowanie jes cechą charakerysyczną maeriałów. Fooelemeny czułe na świało w bardzo szerokim zakresie al posiadają na ogół złożony skład chemiczny, kórego składniki osiągają maksimum wydajności kwanowej przy różnych długościach ali. Częsość graniczna jes paramerem wynikającym z bezwładności ooelemenu, polegającej na ym, że zmiana przewodności elekrycznej czy eż zmiana naężenia ooprądu nie nasępuje naychmias po zmianie oświelenia, lecz z pewnym opóźnieniem. Jeżeli zmiany oświelenia nasępują dosaecznie szybko po sobie, o ooelemen nie nadąża za zmianami srumienia świelnego, a jego charakerysyki mierzone w określonej chwili zależą od średniej warości oświelenia w czasie i nie jeseśmy wówczas w sanie wyznaczyć ym elemenem ani chwilowej warości oświelenia, ani zależności oświelenia od czasu. Częsość zmian oświelenia, dla kórej wysępuje o zjawisko nazywamy częsością graniczną. Nie możemy zaem badać zmian srumienia świelnego o częsości większej od granicznej. Typowe paramery ooelemenów Fooelemen Czułość norm. A/lm Fookomórka próżniowa Foopowielacz Fooopornik Fooogniwo Foodioda (2 6) 10-5 (0,1 5) , Częsość graniczna Hz A/lx (1 5) Napięcie zasilania V , Fooelemeny o dużej bezwładności, a małej częsości granicznej przeznaczone są do pomiarów srumieni świelnych sałych w czasie, naomias elemeny o dużej warości częsości granicznej używane są do badania szybkozmiennych zjawisk opycznych. η Rys. 1 Wydajność kwanowa ooelemenu w zależności od długości ali. Wykres czułości w zależności od długości ali ma aki sam kszał jak na rys 1, a ak przedsawioną czułość nazywamy czułością widmową. λ 3

4 IV.2 Podsawowe prawo oomerii Wielkość oświelenia wywarzanego przez izoropowe źródło punkowe zmienia się w ośrodku o pomijalnie małej absorpcji, odwronie proporcjonalnie do kwadrau odległości od źródła świała. Twierdzenie o, w przybliżeniu słuszne również dla rozciągłego źródła świała w odległościach znacznie większych od jego rozmiarów, może być wykorzysane do wyznaczania zależności charakerysyk ooelemenu od oświelenia. Jeżeli np. przewodność ooopornika maleje odwronie proporcjonalnie do kwadrau jego odległości od źródła świała, kóre w przybliżeniu możemy uznać za punkowe, a ponado w pobliżu zesawu doświadczalnego nie wysępują inne źródła ani eż elemeny dobrze odbijające świało, o oznacza o, iż przewodność badanego ooopornika jes wpros proporcjonalna do oświelenia. IV.3 Fooopornik Fooopornikiem (oorezysorem) nazywamy elemen półprzewodnikowy, kórego opór (a ym samym i przewodność) zależą od oświelenia a nie zależą od kierunku przepływu prądu. okienko półprzewodnik a) izolaor przewody elekryczne żywica epoksydowa świało b) ooopornik - + µa c) Rys.2 Wygląd zewnęrzny a), budowa ooopornika b) oraz sposób włączania go w obwód elekryczny c). Najczęściej ooopornik sanowi warswa półprzewodnika (siarczku kadmu CdS lub ołowiu PbS, selenu, germanu domieszkowanego złoem lub miedzią) naniesiona w posaci ścieżki na płykę izolacyjną i zaopiona w żywicy epoksydowej lub innym przezroczysym maeriale izolacyjnym. Zjawiskiem powodującym zmianę oporu elekrycznego ooopornika w zależności od oświelenia jes zjawisko ooelekryczne wewnęrzne, a ponieważ liczba wywarzanych w ym zjawisku par swobodnych nośników ładunku jes proporcjonalna (przynajmniej w pewnym przedziale warości) do liczby padających oonów, o oczekujemy, że przewodność ooopornika będzie proporcjonalna do oświelenia. Zaleą oooporników jes prosa konsrukcja, ławość sosowania w różnych układach pomiarowych i szeroki zakres czułości widmowej. Podsawową wadą jes silna zależność przewodności od emperaury i duża bezwładność. 4

5 IV.4 Fooogniwo Fooogniwo i oodioda są elemenami wykorzysującymi zjawisko ooelekryczne wewnęrzne zachodzące w obszarze złącza p - n. Złączem p-n jes obszar uworzony przez dwie graniczące ze sobą warswy o odmiennym ypie przewodnicwa. Przez złącze dyundują nośniki nadmiarowe, zn. elekrony z obszaru n do obszaru p i dziury z obszaru p do obszaru n. Wskuek ego przepływu nośników w obszarze granicznym warswy n pojawiają się nieskompensowane ładunki dodanie jonów donora, a w obszarze warswy p nieskompensowane ładunki ujemne jonów akcepora. W obszarze granicznym powsaje pole elekryczne hamujące dyuzję (parz rysunek 3, oraz Uzupełnienie). E p + + n Rys.3 Złącze p-n: swobodne elekrony, dziury, jony akceporów, + donorów, E naężenie pola elekrycznego. jony Jeśli w złącze przenika świało o odpowiedniej długości ali, o może wysąpić oddziaływanie kwanów świelnych z elekronami. W wyniku zaabsorbowania energii kwanów niekóre elekrony zosaną uwolnione z wiązań międzyaomowych sieci krysalicznej, pozosając jednak wewnąrz srukury półprzewodnika. Sają się one swobodnymi ujemnymi nośnikami ładunku. Powsała luka w wiązaniu międzyaomowym jes dodanim nośnikiem ładunku dziurą. W pasmowej eorii przewodnicwa odpowiada o przeniesieniu elekronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnicwa. Pod wpływem wewnęrznego pola elekrycznego dziury będą przesuwane ze złącza do obszaru p, a elekrony do obszaru n półprzewodnika. W en sposób obszar p półprzewodnika ładuje się dodanio, a obszar n ujemnie. Między obiema częściami półprzewodnika powsaje różnica poencjałów, powodująca polaryzację złącza p-n w kierunku przewodzenia. Łącząc obydwa obszary przewodnikiem o małym oporze elekrycznym uzyskamy w nim przepływ prądu o naężeniu wpros proporcjonalnym do oświelenia złącza. Prąd en nazywamy najczęściej ooprądem zwarcia w odróżnieniu od prądu płynącego przez ooogniwo o biegunach połączonych ze sobą przez obwód o znacznym oporze w ym osanim przypadku naężenie prądu nie jes wpros proporcjonalne do oświelenia złącza. Jeżeli w pewnej chwili przerwiemy dopływ świała do złącza, o po bardzo krókim czasie poencjały obu obszarów wyrównują się i prąd w obwodzie zaniknie mówimy, że zw. prąd ciemny ooogniwa jes równy zeru. 5

6 pierścień sykowy obszar złącza p-n w selenie selen przewody świało µa okienko płyka półprzezroczysa (złoo, playna) obudowa podkładka żelazna Rys. 4 Budowa ooogniwa selenowego Fooogniwo może być wykorzysane zarówno jako ooelemen w mierniku oświelenia oraz jako źródło energii elekrycznej np. do zasilania urządzeń na pokładzie szucznego saeliy lub w kalkulaorze elekronicznym. To samo złącze p-n spolaryzowane zewnęrzną różnicą poencjałów w kierunku zaporowym może również pełnić unkcję zw. oodiody, gdyż wzros oświelenia pociąga za sobą zwiększenie liczby mniejszościowych nośników ładunku i w konsekwencji wzros prądu płynącego w kierunku zaporowym. W przeszłości ooogniwa selenowe, w kórych złącze p-n powsawało na granicy selen-meal (rys.4) wskuek procesu dyuzji sanowiły najbardziej rozpowszechniony yp świałomierza ooelekrycznego sosowanego w oograice. Obecnie ooogniwa pełnią unkcję li ylko baerii słonecznych (ooogniwa krzemowe o złączu p-n usyuowanym na niewielkiej głębokości pod powierzchnią), naomias w świałomierzach wykorzysuje się powszechnie oooporniki i oodiody krzemowe. V. Pomiary 1. Połączyć przyrządy według schemau przedsawionego na rys.5, usawiając źródło świała w odległości 20 cm od ooogniwa. 2. Usawić przełącznik P w akiej pozycji, aby ooogniwo zosało połączone z gniazdami pomiarowymi ( LO i HI lub N i W ) mulimeru cyrowego, pracującego jako miliamperomierz (FUNKCJA: ma, ZAKRES: 0,2 ). Tak dobrać napięcie zasilania żarówki, aby naężenie oopradu I F wynosiło w przybliżeniu 0,2 ma. Opór wewnęrzny mulimeru na ym zakresie jes na yle mały, że mamy prawo uważać wyznaczoną warość I F jako warość ooprądu zwarcia. 3. Wyznaczyć zależność: naężenia ooprądu ogniwa I F = (r), siły elekromoorycznej ogniwa E F = (r), oporu ooopornika R = (r), od odległości żarówki od ooelemenów w przedziale [0,3m, 1,2m]. 6

7 ooogniwo żarówka halogenowa ooopornik 12V/20W Zasilacz 0 12V Mulimer VC10T P LO HI komuaor Rys.5 Schema układu pomiarowego Pomiary ych rzech wielkości izycznych wykonywać kolejno dla każdej z wybranych odległości pamięając, że ooogniwo jes źródłem siły elekromoorycznej, a dołączenie zewnęrznego napięcia do gniazd pomiarowych mulimeru cyrowego przy wciśnięym przełączniku kω ( R ) grozi uszkodzeniem przyrządu. Dlaego eż w celu zmierzenia oporu najpierw łączymy mulimer z ooopornikiem, a dopiero później wciskamy przełącznik kω ( R ). Aby nasępnie bez obawy uszkodzenia przyrządu zmierzyć prąd I lub SEM, należy w pierwszej kolejności wcisnąć przełącznik ma lub V a dopiero później połączyć za pomocą przełącznika P (rys.5) miernik z ooogniwem. Zadanie dla dociekliwych: sprawdzić doświadczalnie, czy naężenie ooprądu czerpanego z ooogniwa przesaje być wpros proporcjonalne do oświelenia, gdy obwód łączący jego bieguny posiada duży opór elekryczny. VI. Opracowanie wyników 1. Wykreślić zależność logarymu ooprądu lg(i F ) i logarymu przewodności ooopornika lg(1/r) od logarymu odległości źródła świała od ooelemenów. Współczynniki prosych, opisujących przebieg punków doświadczalnych wyznaczyć wraz z błędami meodą najmniejszych kwadraów. 2. Wykreślić na jednym rysunku zależności: 1 IF = 2 r 1 EF = 2 r 1 R wew = 2 r gdzie R wew jes oporem wewnęrznym ooogniwa, a r odległością żarówki od ooogniwa. Opór wewnęrzny ooogniwa obliczyć przy założeniu, iż opór wewnęrzny miliamperomierza R amp jes pomijalnie mały (E F = (R amp + R wew ) I F ; ponieważ R amp << R wew, o R wew = E F /I F ). 3. Przeprowadzić dyskusję wyników. 7

8 Uzupełnienie Teoria pasmowa Pojedynczy aom posiada dyskrene, ściśle określone poziomy energeyczne, kóre mogą być obsadzane przez elekrony zgodnie z zasadą Paulliego mówiącą, że na każdym poziomie energeycznym mogą znajdować się co najwyżej dwa elekrony. W aomie wchodzącym w skład kryszału każdy poziom energeyczny ulega rozszczepieniu na yle podpoziomów, ile aomów zawiera kryszał, co oznacza w prakyce, wobec bardzo dużej ich liczby, że poszczególne podpoziomy zlewają się ze sobą worząc ciągłe pasma energeyczne (rys.6). Inaczej mówiąc energia elekronu może zmieniać się w obrębie pasma energeycznego w sposób ciągły. Z punku widzenia eorii przewodnicwa w półprzewodniku wysępują rzy zasadnicze pasma energeyczne: Pasmo przewodnicwa, pasmo wzbronione i pasmo walencyjne (rys.7). Elekron o energii należącej do pasma przewodnicwa jes elekronem posiadającym swobodę przemieszczania się w całym kryszale (elekron swobodny), naomias elekron o energii z pasma walencyjnego jes elekronem związanym z danym aomem. energia elekronu pasmo dozwolone pasmo wzbronione pasmo dozwolone odległość między aomami Rys.6 Powsawanie pasma energii energia pasmo przewodnicwa pasmo wzbronione pasmo walencyjne przewodnik półprzewodnik izolaor Rys.7 Schemayczne przedsawienie pasm energii przewodnika, półprzewodnika i izolaora. 8

9 Półprzewodniki samoisne i domieszkowe Chemicznie czyse półprzewodniki nazywamy półprzewodnikami samoisnymi, ponieważ ich przewodnicwo wynika z właściwości samego półprzewodnika, a żaden z elekronów nie może posiadać energii należącej do pasma wzbronionego. W emperaurze znacznie wyższej od zera bezwzględnego część elekronów walencyjnych osiąga wysarczającą energię, aby przejść do pasma przewodnicwa. W wyniku akich przejść, zwanych ermicznymi, gdyż bezpośrednią ich przyczyną są drgania cieplne, powsają (są generowane) pary swobodnych nośników ładunku elekron dziura. Dziurą nazywamy miejsce w wiązaniu opuszczone przez elekron, posiadające własności swobodnego ładunku dodaniego. W półprzewodniku samoisnym liczby elekronów i liczby swobodnych dziur w jednosce objęości (koncenracje) są równe. Dodając do półprzewodnika samoisnego (np. krzemu lub germanu) należącego do IV grupy układu okresowego domieszkę pierwiaska z V grupy, posiadającego odpowiedni układ poziomów energeycznych (rys.8) orzymujemy półprzewodnik o większej koncenracji swobodnych elekronów niż swobodnych dziur. Domieszkę aką nazywamy donorem, a półprzewodnik o dominującym przewodnicwie elekronowym półprzewodnikiem ypu n. Elekrony swobodne w półprzewodniku ypu n nazywamy większościowymi nośnikami ładunku, a dziury mniejszościowymi. Jeżeli jako domieszki użyjemy odpowiedniego pierwiaska z III grupy układu okresowego, o orzymamy półprzewodnik o większej koncenracji dziur (nośniki większościowe), czyli zw. półzapełnione poziomy donorowe puse poziomy akceporowe donor w emperaurze 0 K a) akcepor w emperaurze 0 K W c W d puse poziomy donorowe W zapełnione poziomy akceporowe W a donor w emperaurze 300 K akcepor w emperaurze 300 K Rys.8 Schemayczne przedsawianie donorowych i akceporowych poziomów energii. b) 9

10 przewodnik ypu p o dominującym przewodnicwie dziurowym (rys.8). Poziom Fermiego Koncenracja swobodnych elekronów i dziur w półprzewodniku znajdującym się w sanie równowagi ermodynamicznej j. w sałej emperaurze przy braku zewnęrznych oddziaływań (napięć elekrycznych, promieniowania) zależy od rozkładu poziomów energeycznych, charakerysycznych dla danego półprzewodnika i unkcji rozkładu prawdopodobieńswa zajęcia danego poziomu energeycznego W (o ile aki poziom jes dozwolony), zwanej unkcją Fermiego-Diraca. Dla elekronów unkcja posiada posać 1 n(w) = W WF 1+ exp kt gdzie W F jes zw. energią Fermiego (poziomu Fermiego), k sałą Bolzmanna, a T emperaurą bezwzględną. Poziom Fermiego ma sens poencjału chemicznego j. średniej energii swobodnej elekronu, a ponado prawdopodobieńswo obsadzania poziomu Fermiego, o ile jes on poziomem dozwolonym, wynosi 0,5. energia elekronu W F W F W F półprzewodnik samoisny ypu p ypu n Rys.9 Położenie poziomu Fermiego W F w półprzewodnikach o różnym ypie przewodnicwa zależy od sosunku koncenracji elekronów do koncenracji dziur. Analogiczna unkcja dla dziur ma posać W) = 1 p( n A zaem unkcje n (W) i p (W) są wzajemnie symeryczne względem W F. W półprzewodniku samoisnym koncenracje dziur i elekronów są akie same, a poziom Fermiego leży pośrodku pasma wzbronionego. Położenie poziomu Fermiego w półprzewodnikach domieszkowanych ilusruje rys.9. Złącze p-n Złączem ypu p-n nazywamy granicę między dwoma obszarami ypu p i n w pojedynczej próbce półprzewodnika. W warswie ypu n isnieją dodanie nieruchome ładunki zjonizowanych aomów domieszki donorowej oraz prawie w akiej samej ilości ujemne ładunki swobodnych elekronów, kóre są u nośnikami większościowymi. W warswie ypu p isnieją ujemne nieruchome ładunki zjonizowanych aomów domieszki akceporowej oraz prawie w akiej samej ilości dodanie ładunki ruchomych dziur, kóre są u nośnikami większościowymi. (W) 10

11 Po zeknięciu (w myślowym eksperymencie), w pobliżu syku ych dwu obszarów wysępuje duża różnica w koncenracji nośników większościowych po obu sronach złącza. Przez złącze z obszaru n do obszaru p dyundują elekrony, a z obszaru p do obszaru n dziury. Elekrony po przejściu rekombinują z dziurami, a dziury po przejściu z elekronami. Rekombinacja a zachodzi w cienkiej warswie blisko granicy syku warsw. Ładunek jonów dodanich i ujemnych po obu sronach granicy nie jes eraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. Ładunki ujemne i dodanie w złączu, o ładunki jonów akceporowych i donorowych. W wyniku ego powsaje zw. warswa zaporowa o bardzo dużym oporze; obszar p ma niższy poencjał elekryczny od obszaru ypu n (doyczy o obszaru złącza p-n). Powsaje w en sposób wewnęrzne pole elekryczne (bariera poencjału), kóre przeciwdziała procesowi dyuzji: naężenia prądów dyuzyjnego i płynącego pod wpływem wewnęrznego pola sają się sobie równe, a prąd wypadkowy ma naężenie równe zeru. Poziom Fermiego w obu obszarach posiada dokładnie ę samą warość (w sanie równowagi ermodynamicznej rys.10a). Gdyby elekrony i dziury były cząskami elekrycznie obojęnymi lub naładowanymi jednoimiennie, o przepływ dyuzyjny musiałby doprowadzić do całkowiego wyrównania ich koncenracji w całym półprzewodniku. Pod wpływem zewnęrznego pola elekrycznego (rys.10b i 10c) poziom Fermiego ulega przesunięciu o warość eu, gdzie U jes zewnęrzną różnicą poencjałów. Ruch elekronów przez złącze odbywa się zgodnie z nachyleniem poziomu Fermiego, a ruch dziur w kierunku przeciwnym; na wykresach energii elekronów dziury spadają do góry. p n W F a) kierunek ruchu elekronów p n ruch elekronów + W F b) ruch dziur p + n W F c) p n Rys.10 Położenie poziomu Fermiego w złączu p-n w zależności od polaryzacji złącza: a) niespolaryzowane, b) spolaryzowane w kierunku przewodzenia, c) spolaryzowane w kierunku zaporowym. Poziom Fermiego ulega przesunięciu o warość eu, gdzie U jes zewnęrzną różnicą poencjałów. Ruch elekronów odbywa się zgodnie z nachyleniem poziomu Fermiego. 11

12 Zjawisko zachodzące w złączu p-n pod wpływem świała Selen krysaliczny, z kórego składa się podsawowa warswa półprzewodnika umieszczona na podkładce mealowej ooogniwa selenowego charakeryzuje się przewodnością dziurową (ypu p). Na warswę ę nanosi się półprzezroczysą warswę mealu, kórego aomy dyundują w selen, wywarzając cienką warswę obszaru ypu n. Pomiędzy obydwoma mealami, j. podkładką i warswą półprzezroczysą wysępuje w ciemności napięcie równe konakowej różnicy poencjałów 1 Us = ( W1 W2) e gdzie W 1, W 2 są pracami wyjścia elekronu z mealu, odpowiednio podkładki mealowej i warswy półprzezroczysej (rys.11). energia elekronu meal eu s W 1 obszar p półprzewodnik złącze W g obszar n kierunek pola elekrycznego w złączu meal W 2 pasmo wzbronione pasmo walencyjne pasmo przewodnicwa poziom Fermiego Rys.11 Na rysunku zaznaczono ermiczne przejścia elekronów () i przejścia spowodowane przez srumień świała () o energii oonów hν < W g, gdzie W g jes szerokością pasma wzbronionego. Pojawiają się ylko większościowe nośniki prądu. Poziomy Fermiego w zeknięych ze sobą mealach są sobie równe (w sanie usalonym). meal półprzewodnik meal energia elekronu eu s + E F W 1 obszar p złącze obszar n W 2 A K Rys.12 Przejścia elekronów pod wpływem padania oonów o energii hν > W g powodują pojawienie się mniejszościowych nośników prądu i powsanie ooelekrycznej SEM E F. 12

13 Jeżeli obszar złącza p-n zosanie oświelony świałem o energii oonów hν > W g, gdzie W g jes szerokością pasma wzbronionego, o nasąpi wydajne powsawanie par elekron dziura (rys.12), przy czym ilość powsających par będzie proporcjonalna do wielkości srumienia świała. Mniejszościowe nośniki ładunku dyundują do złącza p-n i są przesuwane pod wpływem pola elekrycznego przez złącze obszar p ładuje się dodanio w sosunku do obszaru n, a w złączu powsaje siła elekromooryczna E F. Jeżeli obydwie elekrody ooogniwa są zware ze sobą poprzez opór obciążenia (np. przez miernik naężenia prądu) R o, o schema zasępczy ooogniwa wygląda ak jak przedsawia o rys.13. I F I w I o E F R w R o R Rys.13 Schema zasępczy ooogniwa obciążonego oporem R o : R w opór warswy zaporowej (złącza p-n), R opór warswy półprzewodnika podsawowego (selenu), E F źródło SEM ooogniwa. Naężenie ooprądu I F jes proporcjonalne do warości srumienia świała Φ: I F = I w + I o = kφ Na podsawie schemau zasępczego możemy napisać I R = I (R w w o + Z ych dwu równań orzymujemy prąd płynący przez opór R o I o kφ = R+ R 1+ R Dla małych warości naężenia oświelenia zachodzi R w >> R; przy wzroście naężenia oświelenia R w i R maleją, ale R w maleje szybciej niż R. Jeśli oporem obciążenia dla ooogniwa jes miernik naężenia prądu o bardzo małym oporze wewnęrznym, o R o + R << R w i naężenie prądu przepływającego przez miernik jes w przybliżeniu wpros proporcjonalne do srumienia świelnego padającego na ooogniwo. Jeśli opór obciążenia jes bardzo duży (np. do ooogniwa dołączony jes wolomierz cyrowy wysokiej klasy), o warość I o jes bardzo bliska zeru i w przybliżeniu w o R E F = I F R w = k R w Φ Wynika z ego, że SEM nie jes wpros proporcjonalna do srumienia świelnego Φ, gdyż R w maleje ze wzrosem Φ. A zaem SEM ooogniwa rośnie wolniej niż wzrasa srumień świelny. Dla ogniwa zwarego R o << R w, R << R w i dlaego mamy: I o = I zwarcia = kφ. o ) 13