Жарыты жтылуы жне фотоэлементтерді трлері

азіргі кездегі физика жарыты электромагниттік толындар ретінде арастырады, оны екі трлі табиаты бар. Ол зін толын ретінде крсетеді жне корпускулалы асиетке ие. Жары суле шыарады жне здіксіз аынмен емес, ол блек, бір-бірімен байланысы жо порциялармен немесе толынды фотондармен таралады.

рбір фотон белгілі млшердегі энергия тасыыш болып саналады. Фотондар энергия млшері бойынша ажыратылады. Энергия млшері е лкен фотон бл толынды теорияны е лкен жиілігімен сипатталатын сулеленуге сйкес фотон [1, 12 ,46].

Егер тек крінетін жары туралы айтса, е лкен энергияа клгін тсті фотондар ие, ал е кіші фотондар, ызылт суле аындарыны рамына кіреді /8/.

Фотон энергиясы е сулелену жиілігіне v пропорционал екені аны:

(9.1)

мндаы, – Планк тратысы

Егер е фотон энергиясы жоары болса, яни жиілік v тмен болса, электрмагниттік сулеленуді корпускулалы рылымы сорлым тезірек аныталады.

Рентген немесе -сулелер аынында практикалы трде негізінен корпускулалы асиет пайда болады.

Фотон энергиясы е тмен болса, яни жиілік v тмен болса сулеленуді толынды асиеті сорлым лкен дрежеде крінеді. зын толынды сулелену аыны (радиотолындар) тек зіні толынды асиетін ана оай анытайды жне практикалы трде корпускулалыты анытамайды.

Электромагниттік сулелену шкаласында крінетін жары жиіліктері немесе толын зындытарыны арасы те тар мнге ие болады: 0,4-0,8 мк. Крінетін сулеленуді жартылай ткізгіші бетіне тскенде болатын физикалы былыстарды арастыранда, ртрлі энергияларды фотондар аыны ретінде арастыруа болады [5, 12, 34, 50].

9.1-сурет. Металдар мен жартылай ткізгіштерді фотоэффектілік слбасы

 

Егер фотондарды аыны андай да бір металл бетіне тссе, фотондарды бір блігі сонда шаылады, ал алан блігі метала жтылады. Жтылан фотондар з энергиясын металды кристалл торына жне бос электрондара береді де, торды амплитудалы тербелісін жне бос электрондарыны хаосты озалыс жылдамдыын жоарылатады

Егер фотон энергиясы лкен болса, онда ол металдан электронды шыарып алуа жеткілікті болады, яни шыу жмысына (9.1 а-сурет) араанда те немесе лкен энергияны абылдайды.

Бл былыс сырты фотоэффект деп аталады. Егер жтылан фотон энергиясы металдан электронды шыарып алуа жеткілікті болмаса, оны энергиясы аырында тгелімен металды ыздыруа кетеді [46, 51, 52].

Бндай былысты біз жартылай ткізгішке фотондарды аыны сер еткенде байаймыз.

Кристалды жартылай ткізгіштерді металдардан таза трінде (оспаларсыз) айырмашылыы, егер олара ешандай сырты факторлар сер етпесе (температура, электрлік ріс, жары сулеленуі, т.с.с.), бос электрондары болмайды.

Біра жартылай ткізгіш материалына рашан андай да бір температура (жиі блменікі) сер етсе, атомдармен байланысан электрондарды бір блігі жылулы тербелістерді арасында атомдардан зуге жеткілікті энергия шыаруы ммкін. Бндай электрондар бос электрондара айналады жне электр тасымалдаушы бола алады.

Электронынан айрылан жартылай ткізгіш атомы электрон зарядына те дрыс заряда ие болады. Біра электроны жо атомдаы орын кршілес атом электронымен толтырылуы ммкін.

Бос электрон тзілуінен босаан орын зарядталан блшекке тедей болады, ол кемтік деп аталады. Кемтіктер электр тогыны ту дерісіне атысуы ммкін.

Атомдармен байланысан электрондарды энергиясы, оны шегінде табылатын толтырылан энергетикалы айма немесе валенттік байланыс аймаы деп аталады. Бос электрондарды энергиясы салыстырмалы лкен, сондытан ол лдеайда жоары энергетикалы аймата – ткізу аймаында (9.1-суреттегі 1-айма) трады. Толтырылан айма пен ткізу аймаыны арысында тыйым салынан энергияларды аймаы болады, яни энергияларды мндай мндегі аймаында, берілген жартылай ткізгішті материалыны байланысан да, бос кйінде де бола алмайды. Бл жартылай ткізгіштерді ртрлі тыйым салынан айматаы млшері рилы. Мысалы, германий шін – 0,7 эв (электроновольт), ал кремний шін 1,12– эв .

Кемтіктер толтырылан аймата болады, себебі оларды тзілуі тек ана жартылай ткізгіштерді кристалл торларыны атомдарында ана ммкін [5,12,17,25].

Бос электрон-кемтік жбыны млшері жартылай ткізгіштерді беті жарытананда кенет суі ммкін. Бл мынамен тсіндіріледі, кейбір фотондарды энергиялары электрондарды атомдардан шыарып алуа жне оларды толтырылан айматан ткізу аймаына ауыстыруа жеткілікті болады. Бл былыс ішкі фотоэффект деп аталады. Ішкі фотоэффектті шарты мына тедеумен аныталады

 

E_g, (9.2)

 

мндаы, Eg – тыйым салынан айматы ені.

 

Электрондарды жне кемтіктерді концентрациясыны артуы жартылай ткізгіштік материалды ткізгіштігіні артуына алып келеді. Сырты факторларды серінен ток ткізгіштігі таза монокристалды жартылай ткізгіште меншікті ткізгіш деп аталады, себебі ол тек ана жартылай ткізгішті озан кйімен ескертілінген. Сырты серлерді жоалуымен бос электрон-кемтікті шарлар жоалады (бір-бірімен кері комбинацияланады) жне меншікті ткізгіштігі нлге мтылады.

Жартылай ткізгішті сырты фотоэффект былысы да бар. Біра ол металдаы жадайа араанда лдеайда крделі сипата ие.

Жартылай ткізгішті сырты фотоэффектін жасау шін квант жтып алынан энергиясы толтырылан айматан электрондарды шыаруа жне оларды жартылай ткізгіштен жоюа жеткілікті болуы керек.

Сонымен, жартылай ткізгіштегі сырты фотоэффект сулеленуді жиілікпен сері арасында болады, ол ішкі фотоэффект арастыратын жары жиілігінен лдеайда лкен. Сондай жоары жиілікті сулелену лесі жалпы тсетін кн сулеленумен салыстыранда лкен емес, сондытан деттегі жартылай ткізгіштерде сырты фототоктар аз [22, 25, 46].

Жарыты электр энергиясына трлендіру ішкі фотоэффектімен ана байланысты.

Тек ана бір меншікті ткізгіштікке ие идеалды таза жартылай ткізгіш материалдар жо. детте жартылай ткізгіш андай да бір белгілі типті ткізгіштікке ие: не тек ана кемтікті (р-типті), не тек ана электронды жартылай ткізгішті ткізгіштік типі оны кристалды торына активті оспалар енгендегі валенттілікпен аныталады.

Кремний шін активті оспа ретінде Менделеевті периодты кестесіні шінші (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) немесе бесінші (фосфор, мырыш, сурьма, висмут) тобына жататын элементтер кіреді. Ал кремнийді зі периодты кестені тртінші тобына жатады.

Фотоэлементтер

Жмыс істеу принципі бойынша барлы фотоэлементтер екі класа блінеді. Бірінші класа жататын фотоэлементтер сырты фотоэффектке негізделген вакуумды жне газ толтырылан, екіншісіне бекітілген абатты жартылай ткізгіштік фотоэлементтер. Оларды басаша вентилді (жапышты) деп атайды, оны жмысы ішкі фотоэффектке негізделген. Соылара мыс тотыы, селен, германий, кремний жне басалар жатады .

 

 

9.2-сурет. Ке тараан фотоэлементтерді трлері

­

Вентилді фотоэлементтерді баса трлерден айырмашылыы жары сулеленуіні серінен олар біратар жадайда тура кн жарыында меншікті п..к.-ін ндіреді. Ол вольтті оннан бір блігі. Сонымен олар сулелік энергияны электр энергиясына трлендіруіне ммкіндік береді. Электр энергиясыны кзі ретінде олданылатын фотоэлементтер, детте фотоэлектрлік фототрлендіргіштер немесе жай фототрлендіргіштер деп аталады. Фотоэлектрлік трлендіргіштерді азіргі кезде е жетілгендеріне кремний элементі жатады [12, 22, 28].

Кремнийді негізгі материал ретінде тадау біратар факторлара негізделген.

Біріншіден, кремний оттегіден кейінгі Жер бетіндегі е кп тараан элемент жне оны ндірісі жасы игерілген.

Екіншіден, теория крсеткендей, кн спектрі шін е лкен уат шыысы фототлдендіргіштен алынады, олар тыйым салынан аймаыны ені 1-1,5 эв шектерінде жататын жартылай ткізгіштермен дайындалады.

шіншіден, кремний фототрлендіргіштері кн сулеленуін зіні спектрлік сезімталдыына олдануына жаын келеді.

Тртіншіден, мысалы, германий рылыларымен салыстыранда кремнилытарды температуралы тербелістерге сезімталдыы тмен.