FOTOWOLTAICZNE ZJAWISKO, powstawanie siły elektromotorycznej w niejednorodnym półprzewodniku, np. na złączu 2 półprzewodników lub półprzewodnika i metalu, pod wpływem padającego światła (fotoelektryczne zjawisko); w przypadku złącza p-n wskutek pochłonięcia energii świetlnej tworzą się dodatkowe nośniki prądu (elektrony i dziury) i następuje dyfuzja dziur do obszaru p, a elektronów do obszaru n, co powoduje powstanie różnicy potencjałów na granicy obszarów; zjawisko fotowoltaiczne jest wykorzystywane w fotoogniwach (w bateriach słonecznych). Siła elektromotoryczna powstaje również w jednorodnym półprzewodniku pod wpływem oświetlenia i jest wynikiem różnicy prędkości, z jaką dyfundują w głąb półprzewodnika elektrony i dziury wytworzone wówczas w obszarze przypowierzchniowym (tzw. efekt Dembera). Zjawisko fotowoltaiczne odkrył 1839 franc. fizyk A.H. Becquerel.

FOTOELEKTRYCZNE ZJAWISKO, zjawisko występujące w ciałach pod wpływem światła, związane z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Jeśli pochłonięcie fotonów powoduje przejście elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa ( pasmowa teoria ciała stałego) i zwiększenie koncentracji nośników prądu (elektronów i dziur), zjawisko jest zwane zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym i przejawia się bądź w zwiększeniu przewodnictwa półprzewodnika lub dielektryka ( fotoprzewodnictwo ), bądź w powstaniu siły elektromotorycznej np. na złączu 2 półprzewodników lub półprzewodnika z metalem ( fotowoltaiczne zjawisko). Jeśli energia fotonu jest wystarczająca do spowodowania wyrzucenia elektronu na zewnątrz ciała, zachodzi zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne , zw. też emisją fotoelektronową lub fotoemisją. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne odkryli niezależnie od siebie fizycy niemieccy. H. Hertz (1887) i W. Hallwachs (1888); jego wyjaśnienie na podstawie teorii kwantów podał 1905 A. Einstein.

PASMOWA TEORIA CIAŁA STAŁEGO, teoria tłumacząca właściwości elektronowe ciał stałych; opiera się na założeniu, że podczas powstawania struktury krystalicznej. ciała stałego dozwolone dla elektronów poziomy energetyczne swobodnych atomów rozszczepiają się tworząc pasma poziomów blisko leżących; poszczególne pasma są od siebie oddzielone pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną); najwyższe, całkowicie lub częściowo wypełnione elektronami pasmo jest nazywane pasmem walencyjnym, a kolejne wyższe, całkowicie lub prawie całkowicie puste — pasmem przewodnictwa. W niecałkowicie zapełnionym paśmie pole elektryczne może spowodować przeniesienie elektronu na sąsiedni poziom energ., tj. wywołać przepływ prądu, w całkowicie zapełnionym paśmie nie może ono zmieniać ani położenia, ani pędu elektronu, a więc nie wywołuje przepływu prądu. Ze względu na wzajemne położenie pasma walencyjnego oraz pasma przewodnictwa i stopień zapełnienia ich elektronami, ciała stałe dzieli się na: metale, półprzewodniki i dielektryki. W metalach pasmo walencyjne jest albo niecałkowicie zapełnione elektronami, albo częściowo nakłada się z pasmem przewodnictwa; metale są zatem dobrymi przewodnikami elektryczności. W półprzewodnikach i dielektrykach w temp. O K pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione i oddzielone od pasma przewodnictwa przerwą energ.; na ogół przyjmuje się, że przerwa energ. jest w przypadku półprzewodników mniejsza od 3 eV, a w przypadku dielektryków — większa od 3 eV. Wąska przerwa energ. w półprzewodnikach sprawia, że pewna liczba elektronów już w temperaturze pokojowej ma wystarczającą energię, by przejść do pasma przewodnictwa; liczba ta, a więc i przewodnictwo elektr. półprzewodnika rosną z temperaturą; wzrost przewodnictwa może być również wywołany wprowadzeniem do półprzewodnika domieszek, tj. atomów, które albo oddają elektron do pasma przewodnictwa ( donor), albo wychwytują elektron z pasma walencyjnego ( akceptor) pozostawiając w tym paśmie dziurę, biorącą udział w przewodzeniu prądu. W dielektrykach przerwa energ. jest b. duża w stosunku do średniej energii kinet. elektronów i w temperaturze pokojowej ich przewodnictwo elektr. jest b. małe, są one zatem izolatorami elektryczności. W pasmowej teorii ciała stałego strukturę elektronową konkretnego ciała stałego określa się wykorzystując jego charakterystyczne cechy opisane przez: rozkład stanów energ. atomów tworzących kryształ, charakter wiązań chem., symetrię sieci krystal. i doświadczalnie wyznaczone wartości energii niektórych stanów energ. elektronów w krysztale.

FOTOPRZEWODNICTWO, zmiana przewodności elektr. ciał pod wpływem światła; zwykle zachodzi w wyniku zjawiska fotoelektrycznego (wewnętrznego) i jest związane ze zwiększeniem koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa i dziur — w pasmie walencyjnym; zostało odkryte 1873 przez amer. fizyka W. Smitha.

Półprzewodniki typu p

Do półprzewodników typu n, jeżeli wprowadzimy pierwiastek grupy 3A to tuż powyżej pasma walencyjnego pojawia się wolny poziom, zwany akceptorowym. Spontaniczne przejście elektronów na ten poziom powoduje powstawanie dziur, które są nośnikiem dominującym.

Półprzewodniki typu n

Jeżeli do półprzewodnika (będącego pierwiastkiem grupy 4A) wprowadzimy pierwiastek z grupy 5A nadmiarowe elektrony w strukturze krystalicznej utworzą nowy poziom - poziom donorowy, który znajduje się tuż poniżej pasma przewodnictwa. Elektrony z poziomu donorowego niewielkim kosztem energetycznym mogą przenosić się do pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach typu n główny wkład do przewodnicta pochodzi od elektronów (ale efekty opisane dla spontanicznych też grają role).

Fotoelektryczne przyrządy półprzewodnikowe

Fotodioda

Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa, z tym, że w obudowie znajduje się soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza.

Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny
, tworzą go głównie nośniki mniejszościowe. Przy oświetleniu fotodiody, w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura - elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze N i elektrony w obszarze P) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny Ip. Prąd oświetlonego złącza, tzw. prąd jasny IR(e) składa się więc z prądu fotoelektrycznego Ip i prądu ciemnego

(e) = I
-

Rozdzielenie (redystrybucja) nośników ładunku powoduje jednocześnie powstanie dodatkowej różnicy potencjałów, obniżającej istniejącą w złączu barierę potencjału.

Istotną zaletą fotodiod jest również duża częstotliwość pracy. Mogą one przetwarzać sygnały świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub z arsenku galu. Czułość widmowa fotodiod krzemowych ma maksimum przy długości fali 700=900 nm, co pokrywa się z maksimum promieniowania fotoemiterów wykonywanych z arsenku galu. Typowe parametry fotodiod są następujące:

• maksymalne napięcie wsteczne
max = 10 - 500 V

• maksymalny prąd ciemny
= 10-100 A

• czułość na moc promieniowania
= 0,3 -1 A/W

• czułość na natężenie oświetlenia
= 10 -100 nA/lx

Fotogniwo

Ogniwo fotoelektryczne (fotoogniwo) jest elementem ze złączem PN, w którym pod wpływem promieniowania powstaje napięcie fotoelektryczne Up. Fotoogniwo jest przetwornikiem generacyjnym. Nie wymaga, więc żadnej polaryzacji napięciem zewnętrznym.

Fotoogniwa dzieli się na dwie podgrupy - fotoogniwa pomiarowe i zasilające:

- fotoogniwa pomiarowe pracują jako źródła sygnałów sterowane promieniowaniem i stosowane np. do pomiarów mocy promieniowania emitowanego przez źródła żarowe, lasery, diody elektroluminescencyjne itp.;

- fotoogniwa zasilające są stosowane głównie jako baterie słoneczne.

Przykładową budowę oraz podstawowy układ pracy fotoogniwa przedstawia

rysunek poniżej.

Charakterystyki zewnętrzne fotoogniwa zależą, zatem również od rezystancji obciążenia. Zależność tę obrazują charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa krzemowego przy różnych wartościach mocy promieniowania. Na wykres naniesiono także proste obciążenia, odpowiadające rezystancji R0. Przecięcie prostej obciążenia z odpowiednią charakterystyką daje punkt pracy fotoogniwa.

Fotorezystor

Fotorezystor jest najprostszym fotodetektorem objętościowym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Zmiany rezystancji mogą być bardzo duże - stosunek rezystancji jasnej RE, tzn. rezystancji

fotorezystora oświetlonego, do rezystancji ciemnej R0, tzn. rezystancji fotorezystora nie oświetlonego, może być nawet rzędu kilku tysięcy.

Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych na izolacyjne, np. szklane podłoże . Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy. Nad powierzchnią światłoczułą umieszcza się okienko i zamyka w obudowie, chroniącej przed uszkodzeniami, a niekiedy umożliwiającej pracę w obniżonej temperaturze (tzw. naczynie Dewara). Rezystancja fotorezystora RE jest nieliniową funkcją natężenia oświetlenia Ev.

Fototranzystor

Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.

Styk bazowy fototranzystora nie odgrywa roli w funkcjonowaniu przyrządu.

Jednakże obecność rezystancji pomiędzy emiterem i bazą polepsza wydatnie stabilność cieplną w wysokich temperaturach oraz kształtuje korzystnie stosunek prądu oświetleniowego do ciemnego.

Złącza tranzystora i fototranzystora polaryzuje się w identyczny sposób z tym wyjątkiem, że baza fototranzystora ma swobodną wartość potencjału. Zawsze mamy jednak do czynienia ze złączem emiter-baza spolaryzowanym w kierunku przewodzenia i złączem baza-kolektor spolaryzowanym zaporowo.

Rys. 3.4.2. wyobraża przyrząd, w którym w warunkach zaciemnienia odbywa się wędrówka dziur z emitera przez bazę do kolektora. Jeśli oświetlimy obszar bazy, padające fotony spowodują dzięki zderzeniom powstanie w tym obszarze par elektron- dziura. Dziury dołączą do nośników wstrzykiwanych przez emiter, będąc

przyspieszane przez pole elektryczne złącza kolektor-baza. Elektrony nie mogą opuścić obszaru bazy, ponieważ jako nośniki większościowe odpychane są w warstwie zaporowej. Mówimy, że znajdują się wewnątrz dołu potencjału.

Podstawowymi charakterystykami fototranzystora są charakterystyki wyjściowe, przedstawiające zależność prądu ICE(e) od napięcia kolektor-emiter UCE.

Parametrem krzywych jest natężenie oświetlenia Ev lub moc promieniowania Pe, podobnie jak prąd bazy IB tranzystorów konwencjonalnych. Czułość na natężenie oświetlenia SEv wynosi od kilku do kilkuset, mikroamperów na luks, prąd ICE(e) jest rzędu kilku do kilkudziesięciu miliamperów, napięcie UCE nie przekracza zwykle kilkudziesięciu woltów. Czułość ma maksimum przy długości fali wynosi ok.

750 = 900 nm.

Dioda elektroluminescencyjna

Diody elektroluminescencyjne, oznaczone skrótowo w polskiej nomenklaturze symbolem LED, są elementami elektronicznymi z jedną warstwą zaporową, które przy polaryzacji w kierunku przewodzenia emitują energię świetlną. Promieniowanie emitowane przez te diody jest wynikiem zjawiska promienistej rekombinacji

elektronów i dziur wstrzykiwanych przez złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody ma w kierunku przewodzenia gwałtowne zagięcie, powyżej którego ma przebieg bardzo stromy

Barwa światła emitowanego przez przyrządy półprzewodnikowe zależy od

materiału stosowanego do produkcji, od domieszkowania i technologii.

7

---