12130

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА НА ФОТОСОПРОТИВЛЕНИИ

Лабораторная работа

Физика

КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ Лабораторная работа № 15 ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА НА ФОТОСОПРОТИВЛЕНИИ Цель работы: построение вольтамперной и световой люксамперной характеристик и определение удельной чувствительности фотосопротивления. Об

Русский

2013-04-24

93 KB

17 чел.

КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

Лабораторная работа № 15

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА НА ФОТОСОПРОТИВЛЕНИИ

Цель работы: построение вольт-амперной и световой (люкс-амперной) характеристик и определение удельной чувствительности фотосопротивления.

Оборудование: фотосопротивление, лампа накаливания, блок питания фотосопротивления, амперметр, вольтметр.

Краткие теоретические сведения

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения. Проводимость, возникающую под действием света, называют фотопроводимостью,
а полупроводники, в которых это явление имеет место, называют фотосопротивлениями или фоторезисторами.

Рассмотрим фотоэффект на основе зонной теории твердых тел. Согласно зонной теории валентная зона у полупроводников при температуре  T = 0K полностью занята электронами, а зона проводимости свободна (как у диэлектриков). Ширина запрещенной зоны W у полупроводников составляет ~0,01–1 эВ. Если приложить разность потенциалов к такому кристаллу, то ток в нем не возникает, так как в зоне проводимости нет свободных носителей заряда, а энергии, которую сообщает внешнее электрическое поле электронам, недостаточно для переброса их из валентной зоны в зону проводимости. Дополнительную энергию, необходимую для преодоления запрещенной зоны, электроны могут получить при нагревании кристалла или при облучении его светом (фотоэффект). В последнем случае электроны получают энергию от поглощения квантов излучения (фотонов). При этом энергия фотона h должна быть равна или больше ширины запрещенной зоны:

, (1)

где – частота излучения; h – постоянная Планка.

Поглотив фотон, электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости (рис. 1, а). Незаполненное электроном энергетическое состояние
в валентной зоне соответствует положительно заряженной квазичастице, называемой «дыркой». Таким образом, каждый фотон освобождает пару «электрон – дырка». Под действием внешнего электрического поля электроны
и «дырки» в кристалле движутся упорядочено («дырки» вдоль поля, электроны против поля), обеспечивая собственную проводимость полупроводника.

Концентрация пар «электрон – дырка» и фототок пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности кристалла за единицу времени, то есть интенсивности света.

У некоторых полупроводников и без освещения при комнатной температуре в зоне проводимости может находиться небольшое число термически возбужденных электронов. Они будут создавать темновую проводимость полупроводника и темновой ток.

Если частота падающего света такова, что энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны (hv<W), то фотоэффект не наблюдается. Граничная частота 0, ниже которой фотоэффект не наблюдается, называется красной границей фотоэффекта (или фотопроводимости).

Для каждого вещества она имеет свое значение, определяемое шириной запрещенной зоны:

. (2)

В примесных полупроводниках фотопроводимость может возникать при поглощении фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Это связанно с тем, что в примесном полупроводнике в запрещенной зоне имеются дополнительные уровни энергии, называемые примесными.

В полупроводнике n-типа примесные донорные уровни расположены вблизи «дна» зоны проводимости и полностью заняты электронами при
Т = 0 К (рис. 1, б). Электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости при поглощении фотонов с энергией

. (3)

Возникшая при этом фотопроводимость – чисто электронная.

В полупроводнике р-типа примесные (акцепторные) уровни расположены вблизи «потолка» валентной зоны (рис. 1, в). При Т = 0 К акцепторные уровни свободны. Под действием света электроны из валентной зоны переходят на акцепторные уровни, если энергия падающих на кристалл фотонов hWA. В валентной зоне образуются «дырки», которые обуславливают «дырочную» фотопроводимость.

Рис. 1

Описание установки

Фотосопротивление (рис. 2, а) представляет собой слой 1 полупроводникового материала, нанесенного на изолирующую пластину 2. На кроях слоя расположены электроды 3, фотосопротивление монтируется в пластмассовом корпусе 4.

Рис. 2

Схема включения фотосопротивления ФС приведена на (рис. 2, б), где (S-источник света). При отсутствии освещения в цепи протекает ток, зависящий от приложенного напряжения и темнового сопротивления. Этот ток называется темновым. Его величина может быть очень малой или равной нулю. При освещении фотосопротивления ток возрастает. Разность между током при освещении и темновым током  называют фототоком.

Важнейшими характеристиками фотосопротивления являются его чувствительность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излучения (спектральная характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление, зависимость чувствительности от освещенности (световая характеристика), а также вольт-амперные характеристики темнового, светового и фототока.

Вольт-амперные характеристики фотосопротивлений–это зависимости фототока от приложенного напряжения при постоянной освещенности. Для некоторых фоторезисторов (например, из CdS и CdSe) они линейны в широкой области изменения напряжений. При очень больших освещенностях линейность этих зависимостей нарушается за счет нагрева чувствительного слоя фотосопротивления.

Отношение фототока к вызвавшему его появление лучистому потоку называется интегральной токовой чувствительностью:

, (4)

где Ф = ES – лучистый поток (Лм); Е – освещенность; S – площадь освещаемой поверхности фотосопротивления.

Поскольку чувствительность фотосопротивления зависит от длины волны излучения, при определении этой чувствительности указывают источник излучения.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от напряжения. Поэтому при задании чувствительности необходимо либо указать рабочее напряжение, либо использовать понятие удельной чувствительности:

, (5)

где U – приложенное напряжение.

Порядок выполнения работы

1. Прикрыть фотосопротивление и снять вольт-амперную характеристику темнового тока IТ=ƒ(U), изменяя напряжение от 0 до 10 В через 1 В.

2. Установить фотосопротивление на расстоянии 40 см от лампы
и снять вольт-амперную характеристику тока при освещении
I=ƒ(U), при постоянной освещенности фотосопротивления. Напряжение менять, как указано в п.1.

3. Установить фотосопротивление на расстоянии 20 см от лампы и повторить измерения по п.2.

4. Вычислить фототок Iф и освещенность E по формулам:

,  (6)

где Jc – сила света, значение которой указано на приборе.

5. Все результаты измерений и вычислений записать в табл. 1.

Таблица 1

Напряжение U, B

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Темновой ток IT

Ток при

Освещении I

Е1=

Е2=

Фототок IФ

Е1=

Е2=

6. Построить вольт-амперные характеристики фотосопротивления Iф = ƒ (U) при двух значениях освещенности Е1 и Е2.

7. Снять световые (люксамперные) характеристики фотосопротивления
I = ƒ(Е) при двух значениях напряжения 4 В и 8 В. Для этого, поддерживая напряжение постоянным, изменять расстояние от 80 см через 10 см, приближая лампу к фотосопротивлению, и измерять ток I.

8. Вычислить фототок Iф и освещенность Е по формулам (6). Результаты измерений и вычислений записать в табл. 2. Значения темнового тока взять из табл. 1.

Таблица 2

Расстояние r, см

Освещенность Е, лк

U2 = 4 B, IT = 

U2 = 8 B, IT = 

I

IФ

I

IФ

80

70

1. Построить люкс-амперные характеристики фотосопротивления
Iф = ƒ(Е) при двух значениях напряжения. Для этого на оси ординат отложить значения фототока в микроамперах, а на оси абсцисс – освещенность Е в люксах.

2. Вычислить по формуле (5) удельную чувствительность фотосопротивления при рабочем напряжении 10 В и освещенности на расстоянии 0,5 м.

Контрольные вопросы

1. Какие характеристики фотосопротивления исследуются в работе?

2. Что такое чувствительность фотосопротивления, удельная чувствительность?

3. Объясните внутренний фотоэффект в собственных и примесных полупроводниках с точки зрения зонной теории.

4. Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Объясните возникновение темнового тока. От чего зависит величина темнового тока? Фототока?

6. Что такое внешний фотоэффект? Сформулируйте его законы. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Библиографический список

к лабораторной работе № 15

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 3. – § 65.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 5. – гл. 9 § 9.6.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40407. Предыстория объединения 77.04 KB
  под эгидой Пруссии был заключенТаможенный союз куда вошли Пруссия Бавария Саксония и другие государства. Королевство Пруссия Ядром Пруссии стало Маркграфство Бранденбург которое образовалось в XII веке на славянских землях бодричей и лютичей между Эльбой и Одером в результате экспансии немецких рыцарей на восток. В 1618 году в результате династического брака сына маркграфа Бранденбурга и дочери герцога Пруссии из другой ветви Гогенцоллернов образовалось наследственное владение БранденбургПруссия. ВТридцатилетней войне относительно...
40408. Австро-венгерское соглашение 1867 года (Австро-венгерский компромисс) 34.97 KB
  kiegyezés договор заключённый 15 марта 1867 годамежду австрийским императором ФранцемИосифом I и представителями венгерского национального движения во главе с Ференцем Деаком в соответствии с которым Австрийская империя преобразовывалась в дуалистическую монархию АвстроВенгрия. Создание АвстроВенгрии было способом преодоления затяжного кризиса империи вызванного подъёмом национальных движений народов страны укреплением национальных элит военными поражениями в австроиталофранцузской 1859 года и австропрусской 1866 года войнах...
40409. Зависимость от Испании 1580—1640 456.5 KB
  Иберийская или пиренейская уния современное обозначение династической унии корон Испании и Португалии в 1580 1640 годах. Приход к власти Габсбургов в Португалии После того как в 1578 году молодой португальский король Себастьян I сложил голову при ЭльКсарэльКебире правящая Ависская династия оказалась на грани угасания. Он обеспечил португальское представительство в управлении единым государством позволил Португалии сохранить собственные законы и денежную единицу; одно время даже обсуждалась идея переноса столицы в Лиссабон. Династия...
40410. Венский конгресс 1814—1815 гг. 24.67 KB
  Гумбольдт Францию Шарль Морис де ТалейранПеригор Португалию Педро де Соуза Гольштейн де Палмела Решения Европа после Венского конгресса Все решения Венского Конгресса были собраны в Заключительном акте Венского Конгресса. В результате конгресса сложилась Венская система международных отношений и был создан Священный союз европейских государств имевший целью обеспечение незыблемости европейских монархий.
40411. Вестфальская система международных отношений 51.36 KB
  Назревание войны Аугсбургский религиозный мир 1555 на время завершил открытое соперничество лютеран и католиков в Германии. Периоды войны. Ход войны Чешский период 1618 1625 23 мая 1618 оппозиционные дворяне во главе с графом Турном выбросили из окон Чешской канцелярии в ров королевских наместниковВильгельма Славату Мартиницу и их секретаря Фабриция Вторая пражская дефенестрация.
40412. Война́ за незави́симость США 38.68 KB
  В том же 1765 году в НьюЙорке собрался Конгресс против штемпельного сбора представлявший собою большую часть колоний; он выработал Декларацию прав колоний. В 1767 году Англия обложила таможенными пошлинами ввозимые в американские колонии стекло свинец бумагу краски и чай; затем когда ньюйоркское законодательное собрание отказало в субсидии английскому гарнизону английский парламент ответил отказом в утверждении каких бы то ни было постановлений ньюйоркского законодательного собрания пока оно не смирится; в то же время министерство...
40413. Война́ за австри́йское насле́дство 115.2 KB
  Претензии сторон После смерти императора Карла VI 20 октября 1740 года его старшая дочь Мария Терезия вступила согласно постановлениюПрагматической санкции во владение всеми землями австрийской монархии но её наследственные права стали оспариваться с разных сторон а одновременно с тем заявлены были и разные другие притязания. Прусский король Фридрих II Великий прежде всех воспользовался этим случаем чтобы заявить древние права своего дома на силезские герцогства Лигниц Волау Бриг и Егерндорф и в декабре 1740 годавступил в Силезию....
40414. Английская революция XVII века 262.06 KB
  Гражданская война Начало войны Большое число роялистов присоединилось к армии короля. Один из офицеров парламентской армии Оливер Кромвель обратил внимание на вражескую кавалерию. Солдаты Армии нового образца получали должную военную подготовку и в бою вели себя очень дисциплинированно. Раньше офицерами становились солдаты из благополучных и знатных семей но в Армии нового образца они выдвигались по службе по мере своих заслуг на поле боя и боевых качеств.
40415. Буржуазные революции и национально-освободительные движения в 20-е годы XIX века в Европе 58.93 KB
  Буржуазные революции в Испании Португалии и Италии были вызваны притязаниями буржуазии на власть и ее борьбой против абсолютизма восстановленного после краха наполеоновской империи. Хотя обстановка в этих странах в годы Реставрации существенно различалась в Италии антифеодальные преобразования революционного и наполеоновского периода в основном остались в силе тогда как в Испании и Португалии феодальные устои общества не были поколеблены вспыхнувшие здесь буржуазные революции имели некоторые общие специфические черты. Революции в...