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

15 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

27402. Внеклассная работа по русскому языку в начальной школе 46 KB
  Это игры утренники викторины походы и экскурсии выпуск газет и журналов радиопередачи съемка телефильмов конкурсы на лучшее сочинение или стихотворение самостоятельное внеклассное чтение книг журналов газет. Лингвистические языковые игры. Как известно игры широко используются и на уроках в более строгой системе познавательного труда детей но внеклассная внеурочная работа дает в этом отношении намного больший простор. Языковые игры обычно развлекательны но всегда содержат дидактический элемент достигающий подчас...
27403. Общая характеристика предмета «Литературное чтение», изучаемого в начальной школе 57 KB
  Назвать основные цели изучения литературного чтения в 14 класса: формирование читательских умений; литературное образование; развитие читательских интересов учащихся. Успешность изучения курса литературного чтения обеспечивает результативность обучения по другим предметам начальной школы. Курс литературного чтения призван продолжить обучение детей чтению ввести в мир художественной литературы и помочь осмыслять образность словесного искусства посредством которой художественное произведение раскрывается во всей своей полноте и...
27404. Развитие учащихся в процессе изучения художественного литературного произведения 51 KB
  Охарактеризовать психологические особенности восприятия художественного литературного произведения младшими школьниками: воображение эмоции мышление наивный реалист и наивный критик. Уровни развития восприятия художественного литературного произведения младшими школьниками. В методике преподавания литературы под процессом чтения понимают процесс восприятия словесного произведения который может быть представлен в виде схемы: зрительное восприятие текста как набора буквенных символов перекодировка символов букв в звуки и произнесение...
27405. Организация обучения младших школьников на уроках литературного чтения 73 KB
  Виды уроков литературного чтения: урок чтения одногодвух произведений чтение крупнообъемного произведения урок внеклассного чтения. Уроки чтения могут различаться по многим параметрам: по учебной задаче; по ведущей деятельности учащихся; по типу учебного материала. Современный урок чтения обладает с одной стороны обязательными компонентами так как он строится на определенном учебном материале воплощает собой конкретный замысел учителя учитывает психологические особенности детей с другой стороны ему присущи гибкость и подвижность...
27406. Проблема содержания обучения чтению в истории русской начальной школы 57.5 KB
  Основные принципы построения программы по чтению; содержание и тематика чтения на каждом году обучения; требования к знаниям умениям и навыкам учащихся. Особенности современных учебников литературного чтения их соответствие требованиям ФГОС начального общего образования. В основе УМК лежит технология формирования типа правильной читательской деятельности продуктивного чтения. У детей развиваются умения самостоятельно осваивать текст до начала чтения во время чтения и после чтения.
27407. Процесс работы над художественным произведением 105 KB
  Первичное знакомство и анализ содержания произведения в единстве с его художественными особенностями. Во время чтения учителя книги у детей закрыты их внимание полностью направлено на слушание произведения и сопереживание учителючтецу. В этом случае учитель для своего чтения выбирает: диалоги; описательные отрывки; начало произведения; заключительные строки произведения концовку. Однако прибегая к этому приему учитель должен иметь в виду ряд обстоятельств: не следует использовать грамзапись если произведение совершенно...
27408. Методика изучения сезонных изменений в природе 23.5 KB
  важны уроки обобщения – ставят всё по местам = проведение сложных сравнений обощающего характера углубляет расширяет кругозор восприятие природы как целого Помогают: дидактич схемы – наглядно показывают связи таблицы эстетика – рассматривание художественных произведений: картин стихов музыкальных произведений Чайковский – времена года Пример – урок Осенние явления природы: беседа о состоянии неживой природы высота Солнца световой день t небо влажность почему произошли изменения – анализ содержания установление...
27409. Значение уроков технологии, изобразительного искусства, музыки в системе начального общего образования 39.5 KB
  Источниками полноценного развития ребенка выступают два вида деятельности освоение прошлого опыта человечества за счет приобщения к современной культуре. самостоятельно реализация своих возможностей благодаря творческой деятельности способствует проявлению самодеятельности самореализации воплощению собственных идей. В творческой деятельности решаются поисковотворческие задачи с целью развить способности ребенка. под способностями понимаются индивидуально –психологические и двигательные особенности индивида Способность к...
27410. Формирование регулятивных универсальных учебных действий у младших школьников на уроках технологии 31.5 KB
  Регулятивные УУД обеспечивают обучающимся организацию своей учебной деятельности: целеполагание что известно и неизвестно; планирование определение последовательности промежуточных целей с учётом конечного результата; составление плана и последовательности действий; прогнозирование предвосхищение результата и уровня усвоения знаний его временных характеристик; контроль в форме сличения способа действия и его результата с заданным эталоном; коррекция; оценка; саморегуляция. Специфика технологии: ...