592

15. NOWE ŹRÓDŁA I TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

(samoistne przewodnictwo dziurawe) - rysunek 15.38a. W ten sposób może zachodzić przewodzenie prądu również w paśmie walencyjnym, tzw .przewodnictwo dziurowe. Zatem w półprzewodniku nośnikami ładunku w procesie przewodzenia prądu są elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie walencyjnym.

Minimalna energia niezbędna do przejścia elektronu do pasma przewodnictwa nazywa się barierą energetyczną (pasmem energii zabronionej E_g (ang. energy gap) - rysunek 15.38a. W izolatorach pasmo przewodzenia jest puste, a pasmo energii zabronionej E„ ^ 5 eV. Dla półprzewodników E_g < 5 eV, przy czym dla krzemu E_g = 1,1 eV.

Elektron w przewodniku może uczestniczyć w przewodzeniu prądu jedynie wtedy, gdy jest on przyspieszony, a więc gdy pobiera energię z pola elektrycznego, dzięki przyłączeniu do przewodnika zewnętrznego źródła napięcia. Źródło dostarcza energii, która powoduje przyspieszenie istniejących już swobodnych elektronów.

Zgodnie z powyższym opisem, aby element półprzewodnika został źródłem prądu, muszą być spełnione dwa warunki:

1)    wytworzenie w półprzewodniku nośników ładunku - wówczas rozpatrywany element, będący do tej pory izolatorem, staje się „przewodnikiem”;

2)    przyspieszenie i uporządkowanie ruchu tych ładunków przez pobranie energii od pola elektrycznego.

W przewodnikach dzięki istnieniu swobodnych elektronów warunek 1) jest samoistnie spełniony.

W półprzewodnikach promieniowanie światła widzialnego powoduje wybijanie elektronów z pasma walencyjnego na poziom pasma przewodnictwa, jeżeli E_f>E_g -rysunek 15.38a. W miejsce elektronu wybitego z węzła sieci krystalicznej powstaje dziura, która jest zapełniana elektronem z sąsiedniego węzła siatki krystalicznej, czyli powstały nośniki prądu (warunek 1)), które należy rozdzielić, zanim nastąpi rekombinacja dziury elektronem z pasma przewodnictwa (wówczas nośniki znikną) i odprowadzić w celu uzyskania źródła prądu elektrycznego.

Aby spełnić warunek 2), nośniki muszą być przyspieszone, należy je umieścić w polu elektrycznym, na przykład zewnętrznym polu, które powstałoby po przyłożeniu do elementu półprzewodnika (np. z krzemu) napięcia zewnętrznego, tak jak w przypadku diody. Trudno tak powstały układ nazwać samodzielnym ogniwem, w którym następuje przemiana energii słonecznej w energię elektryczną. W tym układzie źródło zewnętrznego napięcia daje energię do „napędu” nośników ładunku powstałych w półprzewodniku, czyli zostały one zmuszone do przemieszczania się wzdłuż elementu półprzewodnika. Samodzielne ogniwo słoneczne powstanie wtedy, gdy pary nośników - elektrony i dziury, rozdzieli się i zgromadzi elektrony w jednej części półprzewodnika, a dziury w innej jego części bez użycia zewnętrznego źródła napięcia. Do tego konieczne jest jednak własne wewnętrzne pole elektryczne takiego układu.

W rzeczywistych ogniwach fotoelektrycznych, wprowadzając do siatki krystalicznej (np. krzemu) inne pierwiastki (tzw. domieszkowanie), otrzymuje się

592