ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Почти все полупроводниковые при’борьи, в том числе и кремниевые фотопреобразователи, представляют собой систему из двух полупроводников с проводимостями р-л л типа, находящихся в тесном контакте друг с другом. Переходная зона (граница) между областями с проти­воположными типами проводимости располагается вну­три полупроводникового материала и называется элек — тронно-дырочньгм или р «-переходом.

Благодаря тому, что по одну сторону от р-я-перехода в избытке находятся свободные электроньи (л-область), а по другую — дырки (p-область), каждый тип етих свободных носителей тока будет иметь тенденцию диф­фундировать в ту часть полупроводникового материала, где имеется их недостаток (тепловая самодиффузия). Таким образом, дырки будут стремиться диффундиро­вать из p-области в «-область полупроводника, а элек­троны из л-области — в р-область.

Однако эта диффузия основных носителей тока [2] не будет продолжаться до ‘бесконечности. В самом деле, диффузия электронов в p-область полупроводника заря­жает ее отрицательно, причем л-область вследствие ухо­да из wee некоторой части электронов заряжается поло­жительно. Самодиффузия дырок действует в том же на­правлении, т. е. p-область заряжается отрицательно, а л-область—положительно. Диффундирующие дырки и электроны в виде двух слоев объемных зарядов скаїп — ливаются у р-п-перехода, создавая разность потенциалов между этими слоями. При этом в темноте вблизи от р-п-перехода со стороны р области сосредоточится отри­цательный, а со стороны п-области — положительный объемные заряды, как это показано сверху на рис. 4,а. Электрическое іполе, образованное этими объемными за­рядами, будет препятствовать дальнейшей самодиффу — зии основных носителей тока через р-п-переход.

Образованием потенциального барьера на р-п-пере — ходе и обуславливаются те явления, которые дают воз­можность создавать различные полупроводниковые при­боры (фото:преобразователи, силовые выпрямители, дио­ды, фотодиоды, триодьи, фототриоды и Т. П.).

По принципу своего действия все фотоэлементы де­лятся на два класса. К первому классу относятся фото­элементы, основанные на внешнем фотоэффекте, — ва­куумные и газонаполненные, ко второму — полупровод­никовые фотоэлементы с запирающим слоем, иначе еще называемые вентильными, работа которых основана на внутреннем фотоефекте. К последним относятся медно — закисные, селеновые, германиевые, кремниевые и др.

Для работы вакуумных и газонаполненных фотоэле­ментов необходимо с помощью дополнительного источ­ника постоянного напряжения (сухая батарея, аккуму­лятор) создавать электрическое поле определенной ве­личины, о’беспечивающее попадание всех выбиваемых светом из фотокатода электронов на анод.

Вентильные фотоэлементы отличаются от всех осталь­ных видов тем, что под действием светового излучения они вырабатывают собственник» э. д. с., достигающую 12

ft ряде случаев на іпрямом солнечном свете Десятых До лей вольта. Они, таким образом, позволяют осуще­ствлять непосредственное. преобразование лучистой энер­гии в электрическую. Фотоэлементьи, используемые как источники электрической энергии, обычно называют фо­тоэлектрическими преобразователями или іпросто фото — преобразователями. Наиболее совершенными из суще­ствующих в настоящее время фотоэлектрических преоб — ‘ разователей являются кремниевые.

Выбор кремния в ‘качестве исходного материала обу­словлен рядом факторов. Во-первых, кремнии является наиболее распространенным іпосле кислорода элемен­том на земле н производство его относительно хорошо освоено. Во-вторых, как показывает теория, для солнеч­ного спектра наибольшая выходная электрическая мощ­ность получается у фотопреобразователей, изготовлен­ных из тех ‘полупроводников, ширина запрещенной зоны которьих лежит в пределах 1—1,5 эв (рис. 3). В-третьих, кремниевые фотопреобразователи весьма іподходят для использования солнечного излучения по своей спектраль­ной чувствительности. В-четвертых, по сравнению, на — .пример, с германиевыми приборами кремниевые менее чувствительны к температурным колебаниям. Наконец, кремний позволяет достигнуть минимальных іпотерь на

отражение. Его очень легко образующиеся поверхност­ные окисные пленки обладают абсолютной прозрач­ностью и имеют промежуточный коэффициент ‘Преломле­ния между коэффициентами преломления кремния и окружающей среды, что уменьшает отражение света не­посредственно от поверхности самого кремния.

Идеально чистых полупроводниковых материалов, которые обладали бы одной лишь собственной прово­димостью, не существует. Обычно полупроводник обла­дает каким-то вполне определенным типом проводимо­сти: или только дырочны’м (p-тип), или только электрон­ным (n-тип). Тип проводимости полупроводника опре­деляется валентностью внедренной в его кристалличе­скую решетку активной примеси.

Для кремния активными примесями будут являться элементы, входящие з третью (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) или ‘пятую (‘фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) группы ‘периодической таблицы Менделеева. Сам же кремний относится к четвертой группе периоди­ческой таблицы.

Обычно внедрение в кремний активных іпримесей про­исходит по узла’м его кристаллической решетки. Решет­ка кремния имеет кубическую форму, где каждый атом находится в узле решетки и связан так называемыми ковалентными или парно-электронными связями с че­тырьмя соседними атомами.

При внедрении в кремний ‘Примеси элементов ІПЯТОЙ группы: (последние характеризуются те’м, что на внеш­ней электронной оболочке их атомов имеется пять элек­тронов) четыре электрона атома примеси окажутся свя­занными с четырьмя соседними атомами кремния, а пя­тый электрон останется несвязанным. Этот электрон в создавшихся условиях будет очень слабо связан со своим атомом и іпри воздействии даже очень низкой тем­пературы легко становится свободным. Атом примеси три этом становится положительно заряженным ионом.

Таким образом, примеси из элементов пятой группы легко отдают свои электроны и являются источниками свободных электронов, создавая кремний с электронной проводимостью. Такие тримеси называются донорными.

Если в кремний внедрена примес?. одного из элемен-

Тов третьей группы (три электрона во внешней элек­тронной оболочке), то для создания полной связи атома примеси ‘с ‘соседними четырьмя атомами кремния атом примеси «притягивает» к себе электрон из соседнего ат ома кремния, образуя в последнем «дырку». При этом ато’м шримеси становится отрицательно заряженным ионом. Такие примеси называются акцепторными. Акцеп­торные примеси создают дырочную проводимость крем­ния.

Величина примесной проводимости пропорциональ­на концентрации внедренной примеси и, таким образом, может изменяться в широких пределах.

При поглощении света. полупроводником с примес­ной проводимостью за счет возбуждения агомсв основ­ного материала (например, кремния) будут создаваться парьи электрон-дырка. Создание дополнительных свобод­ных носителей тока увеличит проводимость полупровод­никового материала.

Изменение проводимости под действием света у по­лупроводника с примесной проводимостью значительно меньше, чем у полупроводника с собственной проводи­мостью. Увеличение проводимости под действием света у примесных полупроводников уменьшается по мере воз­растания в нем концентрации примеси.

Если поток фотонов попадает на поверхность какого — нибудь металла, то часть фотонов отражается от поверх­ности, а оставшаяся часть іпоглощается металлом. По­глощенные фотоны будут отдавать свою энергию кри­сталлической решетке металла и свободным электронам, увеличивая амплитуду колебаний решетки и скорость

а — фотоэффект в металлах: кпант света с энергией б^р способен выбить электрон (фотоэлектрон) из зоны проводимости; б — фотоэффект в полупровод­никах: квант света с энергией Eg в состоянии перебросить электрон из запрещенной зоны в зону проводимости, т. е. создать электронно дырочную пару.

/—зона проводимости; 2—заполненная (валент­ная) зона; 3—запрещенная зо^а; черные кружки — электроны, белы» кружок—дырка.

хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона велика, то она может оказаться доста­точной, чтобы выбить электрон из металла, т. е. сооб­щить ему энергию, равную или большую, чем работа выхода ср (рис. 2,а). Это явление называется внешним фотоэффектом. Если же поглощенный фотон обладает
энергией, недостаточной, чтобы выбить электрон из ме­талла, его энергия пойдет із конечном счете ‘Целиком на нагрев металла.

Иную картину наблюдаем мы при воздействии пото­ка фотонов на полупроводник.

В отличие от металлов кристаллические полупровод­ники в чистом виде (без примесей), если на них не воз­действуют никакие внешние факторы (температура, элек­трическое поле, излучение света ‘И т. ‘П.), не имеют сво­бодных электронов, т. е. электронов, оторванных от ато­мов кристаллической решетки полупроводника. Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда нахо­дится под воздействием какоїй-то температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов, связан­ных с атомами, может за счет тепловых колебаний при­обрести энергию, достаточную для отрыва их от атомов. Такие электровьи становятся свободными и могут при­нимать участие в переносе электричества

Атом полупроводника, лишившийся электрона, при­обретает положительный заряд, равный заряду электро­на. Однако место в атоме, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом пер­вый атом становится нейтральным, а соседний—поло­жительно заряженным.

Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно за­ряженной частице, названной дыркой. Дырки тоже мо­гут участвовать в процессе прохождения электрического тока.

Энергия, которой обладают электроны в связанном с атомами состоянии, обусловливает нахождение их в пределах так называемой заполненной энергетической зоны или зоны валентных связей (зона 2 на рис. 2,6). Энергия свободного электрона относительно велика, по­этому он находится в более высокой энергетической зо­не— зоне проводимости (зона 1 на рис. 2,6). Между заполненной зоной и зоной проводимости имеется зона запрещенных энергий (зона 3 на рис. 2,6), т. е. зона та­ких значений энергий, которые электроны данного полу­проводникового материала не могут иметь ни в связан­ном, ни в свободном состоянии. Ширина этой запрещенной зоны у разных полупроводников различна. Например, для германия она равна 0,7 эв (‘электроновольт) [1], а для кремния — 1,12 эв.

Дырми находятся в заполненной зоне, таїк как их образование возможно только в атомах кристаллической решетки полупроводника.

Количество свободных электронно-дырочных пар мо­жет резко возрасти при освещении ‘поверхности полупро­водника. Это объясняется тем, что энергия некоторых фотонов оказывается достаточной для отрыва электро­нов от атомов и переброски их из заполненной зоны в зону проводимости. Это явление называется внутрен­ним фотоэффектом.

Условием осуществления внутреннего фотоэффекта является соотношение

где Е —ширина запрещенной зоны.

Увеличение концентрации электронов и дырок при­водит к возрастанию проводимости полупроводникового материала. Возникающая под действием внешних фак­торов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью, так как она обусловлена только возбужденным состоя­нием атомов самого полупроводника. С исчезновением внешних воздействий свободные электроннс-дырочные шары исчезают (рекомбинируют друг с другом) и соб­ственная проводимость стремится К Н’уЛЮ.

Существует также явление внешнего фотоэффекта с полупроводника. Но оно носит более сложный харак­тер, чем в случае металла.

Для создания в полупроводнике внешнего фотоэф­фекта необходимо, чтобы энергия поглощенного кванта была достаточной для выброса электрона из заполнен­ной зоны, и удаления его из (полупроводника.

Таким образом, внешний фотоэффект с іполупровод ников происходит под воздействием излучения с часто­той, значительно большей, чем частота света, при кото­

рой наблюдается внутренний фотоэффект. Доля такого высокочастотного излучения в общем падающем сол­нечном излучении относительно невелика, поэтому внеш­ние фототоки с обычных полупроводников малы.

Преобразование света в электрическую энергию свя­зано только с внутренним фотоэффектом.

О ПРИРОДЕ СВЕТА

Современная физика рассматривает свет как электро­магнитное излучение определенных длин ‘волн, обладаю­щее двойной природой. В своих проявлениях оно обна­руживает как волновые, так и корпускулярные свойства. Свет излучается и распространяется не непрерывным потоком, а отдельными, не связанными друг с другом порциями или волновыми пакетами (фотонами). Каж­дый фотон является носителем определенного количества энергии. Фотоны различаются величиной своей энергии. Наибольшей величиной энергии обладает такой фотон, который соответствует излучению, характеризующемуся в волновой теории наибольшей частотой. Если говорить только о видимом свете, наибольшей энергией обладают фотоны фиолетового света, а наименьшей — фотоны, вхо­дящие в состав потока красных лучей.

Установлено, что энергия фотона е пропорциональна частоте излучения v:

є = /zv,

где fr—постоянная Планка (6,624-10~27 эрг-сек),

Корпускулярная структура электромагнитного излу­чения тем легче обнаруживается, чем больше энергия фотона є, т. е. чем больше частота v. В. потоке рентге­новских шли у-лучей практически проявляются в основ­ном корпускулярные свойства.

Чем меньше энергия фотонов є, т. е. чем меньше ча­стота v, тем в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Поток длинноволнового излучения (радиоволн) легко обнаруживает лишь свои волновые свойства и іпрактически не обнаруживает корпускуляр­ных. ,

Видимый свет занимает очень узкий интервал частот или длин волн на шкале электромагнитного излучения: 0,4—0,8 мк. Описывая физические явления, происходя­щие при падении на поверхность полупроводника види­мого излучения, ‘последнее можно рассматривать как поток фотонов различны* энергий.

Мощность солнечного излучения для наружной части атмосферы составляет примерно 1,33 квт/м2, если осве­щаемая (поверхность перпендикулярна падающим лучам. Часть этой ‘энергии, как уже отмечалось, поглощается в атмосфере и рассеивается обратно в мировое про­странство, так что в ясный летний солнечный день

в средних широтах (60—40°) энергия, па­дающая на поверх­ность, перпендикуляр­ную лучам Солнца и находящуюся на уров­не моря, равна 0,8— 0,9 квт/м2. В близких к экватору районах в ус­ловиях оптимума про­хождения лучей через атмосферу поток энер­гии может достигать (а временами даже превышать) 1 квт/м2.

Потери в атмосфере зависят от ее состоя­ния (влажность, запы­ленность и т. п.) и от длины шути, который проходит в ней излуче­ние, т. е. от времени года и времени суток. При на­личии самых оптимальных условий среднесуточная мощность падающей на горизонтальную ‘поверхность радиации не превосходит 0,4 квт/м2. В облачные дни она снижается, достигая едва од. юй десятой указанной ве­личины.

Средняя годовая мощность солнечной радиации ко­леблется от 0,1 до 0,2 квт/м2 на горизонтальной поверх­ности, что составляет ;2,4—4,8 квт-ч/м2 в день.

Суммарная (общая) солнечная энергия, падающая на земную поверхность, состоит из двух частей: прямо­го излучения, т. е. излучения, идущего от Солнца по прямолинейному пути, и излучения светлого небосвода— 6
іак называемой диффузной или рассеянной радиации. В полдень ясного для доля этого излучения составляет 20% суммарного излучения. К вечеру эта величина под­нимается и после захода Солшца достигает 100% (pwc. 1).

Солнце является основным источником всех видов энергии, которые человек имеет в своем распоряжении. Этот резервуар неисчерпаем. Достаточно сказать, что в течение 1,1 • 109 лет Солнце израсходует всего лишь около 2% аккумулированной в нем энергии.

Астрономия и современная физика рассматривают Солнце как гигантскую іпечь, в которой ‘протекают тер­моядерные реакции, связанные с. превращением одних элементов в другие (например, водород превращается в гелий). Эти реакции сопровождаются выделением ко-, лоссального количества энергии.

Наша Земля, находясь в среднем на расстоянии 149 млн. км от Солнца, не получает и половины одной миллионной доли потока энергии, излучаемой Солнце. м. Кроме того, в среднем около 40% этой падающей энер­гии отражается на границе земной атмосферы обратно в межзвездное пространство. И тем не менее общее ко­личество лучистой энергии, достигающее поверхности Земли в области суши (с учетом энергии, поглощаемой в атмосфере), составляет за год 9,5-1017 кет ч. Это огромное количество энергии, непрерывно приходящее на поверхность Земли от Солнца в течение года, в 32 000 раз больше той энергии, которая поступает за это вре­мя в мировую энергетическую систему от разных источ­ников энергии, таких, каїк минеральное топниво, гидро­энергия и пр.

А. Я. ГЛИБЕРМАН и А. К. ЗАЙЦЕВА

В последние годы проблема использования солнечной энергии привлекает все большее внимание ученых и ин­женеров. Повышение интереса к этой проблеме вызвано ее перспективностью. Есть основания надеяться, что энергетика, по крайней мере в солнечных областях зем ного шара, в значительной мере сможет развиваться за счет прямого преобразования солнечной энергии в дру­гие виды энергии.

Особенно ‘привлекательны те способы использования солнечной энергии, при которьих она непосредственно превращается в электрическую анергию (без предвари­тельного преобразования в тепловую и механическую). Известны три способа такого преобразования: термо­электрический, фотогальванический и фотоэлектриче­ский.

При термоэлектрическом методе преобразование идет по схеме: солнечная энергия -* теплоэлектриче­ская энергия; іпри фотогальваническом: солнечная энер­гия—> химическая энергия —*электрическая энергия; при фотоэлектрическом: солнечная энергия -* электрическая энергия.

Термоэлектрический ‘метод представляет большой ин­терес, так как в связи с последними успехами в области разработки теории и практики использования полупро­водников удалось создать термогенераторы, имеющие к. п. д. более 8%’.

Фотогальванический метод основан на том, что в не­которых гальванических системах под действием сол­нечного света происходят химические реакции, сопро­вождающиеся образованием э. д. с. Однако этот метод находится еще в начальной стадии своего развития.

Особое внимание сейчас привлекают работы по сол­нечным фотоэлементам. Еще в 1953 г. считалось, что максимальный к. п. д. солнечных фотоэлементов может составлять не более 0,6%. Но уже в 1955 г. была изго­товлена солнечная батарея, к. п. д. отдельных элемен­тов которой достигал 10%- В настоящее же время име­ются работы, в которьих указывается, что к. п. д. крем­ниевых фотоэлементов теоретически, с учетом потерь, может ‘быть увеличен до 15%- Это значит, что при сол­нечной интенсивности 1 ООО втім2 можно будет ‘получить 150 вт электроэнергии с 1 м2 освещенной солнцем ‘по­верхности. Изготовляемые в настоящее время фотоіпре- образователи имеют к. п. д. 6—10%’.

Приведенные цифры говорят о том, что задача пря­мого преобразования солнечной энергии в электрическую становится реальной не только с точки зрения созда­ния маломощных источников питания переносной аппа­ратуры, но и для сооружения энергетических установок общего назначения.

«