42350

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучение явления внутреннего фотоэффекта и работы фотосопротивления. 2 Приборы работающие на принципе внутреннего фотоэффекта называются фотосопротивлениями. Для предохранения от влияния воздуха фоточувствительная поверхность фотосопротивления покрывается тонкой пленкой лака.

Русский

2013-10-29

188.5 KB

1 чел.

Лабораторная работа 8.5.

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА. ПОЛУЧЕНИЕ СВЕТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ.

Библиографический список

Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. Т. 3.

Цель работы: изучение явления внутреннего фотоэффекта и работы фотосопротивления.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка «Получение световой характеристики».

Описание метода и экспериментальной установки

Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света в диэлектриках и полупроводниках могут возникать носители тока. Соответственно уменьшается их сопротивление. Это одно из явлений природы, которые объясняются с точки зрения квантовой природы света. Для этого используется зонная энергетическая теория твердых тел. При объединении атомов в твердое тело энергетические уровни атома, т.е. значения энергии, которые разрешает иметь электронам данного атома квантовая теория, расщепляются. Для того, чтобы удовлетворить принципу Паули, число расщепленных компонентов – подуровней должно быть порядка числа атомов в твердом теле, т.е. энергетические подуровни в твердом теле располагаются очень близко друг к другу – квазинепрерывно и образуют разрешенную энергетическую зону. Число, положение (по шкале энергий) и форма энергетических тел зависят от химической природы и симметрии твердого тела. В процессах фотопроводимости участвуют лишь валентные электроны кристалла, иными словами эти процессы разыгрываются в энергетической зоне валентных электронов (валентной зоне) и зоне разрешенных энергий, лежащей над ней (свободной зоне).

Для полупроводников и диэлектриков характерна полностью заполненная валентная зона. Свободная зона отстоит достаточно далеко от валентной (рис. 1). Между ними – область энергий, которые квантовая механика не разрешает иметь электронам рассматриваемого кристалла – это запрещенная зона. Диэлектрики и полупроводники отличаются друг от друга шириной запрещенной зоны – у диэлектриков она существенно больше.

Чтобы диэлектрик или полупроводник стали проводить электрический ток, надо перенести в зону проводимости хотя бы часть электронов из валентной зоны, сообщив им извне энергию. В случае фотопроводимости эта энергия доставляется падающим светом.

Для того, чтобы в полупроводнике перевести электроны в зону проводимости, энергия падающих квантов света  должна быть не менее ширины запрещенной зоны.

.                                         (1)

Эта зависимость указывает на существование красной границы внутреннего фотоэффекта

.                                            (2)

Приборы, работающие на принципе внутреннего фотоэффекта, называются фотосопротивлениями.

Фотосопротивление состоит из следующих частей (рис. 2): изолирующая подложка 1, на которую наносится тонкий слой полупроводника 2 (такие слои получают испарением в вакууме или химическим осаждением); металлические электроды 3, соединяющиеся с двумя выводными клеммами, с помощью которых фотосопротивление включается в цепь. Для предохранения от влияния воздуха фоточувствительная поверхность фотосопротивления покрывается тонкой пленкой лака. Лаковая пленка должна обладать прозрачностью в той части спектра, в которой работает фотосопротивление.

В настоящее время на практике применяются фотосопротивления из различных полупроводников. Каждое из них отличается от другого присущими ему особенностями, удовлетворяющими ту или иную область применения.

Фотосопротивления имеют ряд преимуществ: малые габариты, сравнительная простота изготовления, высокие фотоэлектрические свойства, практически неограниченные сроки работы.

Недостатком фотосопротивления является значительная зависимость его чувствительности от температуры.

Величина фототока будет определяться количеством квантов света, падающих на фотосопротивление, и их величиной .

При определенной величине  (естественно, в случае ) фототок будет расти с увеличением количества квантов до тех пор, пока в фототок не будет вовлечено все количество электронов, которое может быть переведено квантом данной величины из валентной зоны в зону проводимости. Далее фототок увеличиваться не будет, достигнет насыщения, т.е. зависимость фототока от падающего светового потока – световая характеристика фотосопротивления – является нелинейной функцией.

Эта зависимость имеет следующий аналитический вид:

,                                            (3)

где Ф – световой поток; В – чувствительность фотосопротивления (при использовании белого света В – интегральная чувствительность, при освещении монохроматическим светом В – спектральная чувствительность), т.е. В является также функцией светового потока Ф.

Установка для получения световой характеристики (рис. 4) включает в себя фотосопротивление 1, соединенное с микроамперметром 2 и источником тока, диск 3 с отверстиями, с помощью которых изменяется величина светового потока, падающего на фотосопротивление, осветительная лампа 4, помещенная в непрозрачный кожух.

Приняв лампу за точечный источник света, для освещенной поверхности, находящейся от нее на расстоянии , можно записать закон освещенности

,                                     (4)

где  - расстояние от лампы до отверстия в цилиндре, м;       

      - расстояние от отверстия до фотосопротивления, м;

      - сила света лампы, кд.

    

Световой поток, падающий на фотосопротивление, будет равен произведению освещенности на площадь отверстия в диске

,

где  - радиус отверстия, м.

Или

,         (5)

где                                    .

Перед началом измерений следует определить темновой ток , т.е. ток, текущий по электрической цепи, в которую включено фотосопротивление, когда оно затемнено. В нашем случае  определяется перекрытием прямого попадания светового потока от лампы 4 на фотосопротивление. Например, диск устанавливается так, чтобы на пути светового потока не было отверстия.

Фототок определяется как разность между измеренным по микроамперметру током (световым) и темновым током

                 (6)

Интегральная чувствительность фотосопротивления В определяется графическим дифференцированием кривой  по отдельным точкам, т.е. определением тангенса угла наклона кривой к оси ординат  в каждой экспериментальной точке.

Так как фототок зависит не только от лучистого потока, но и от величины приложенного в цепи фотосопротивления напряжения, определение интегральной чувствительности теряет всякий смысл без указания напряжения (100 – 200 В), для которого эта величина определена.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с устройством установки и включить ее.

2. Определить темновой ток, для чего повернуть диск 3 так, чтобы установить против фотосопротивления сплошную часть диска, например, между двумя самыми маленькими отверстиями.

3. Установить против фотосопротивления наименьшее отверстие диска и записать соответствующее показание микроамперметра.

4. Повторить указанное в п. 3 для всех отверстий диска.

5. По формуле (5) рассчитать световые потоки, соответствующие каждому отверстию.

6. Построить световую характеристику фотосопротивления .

7. Для каждого значения Ф рассчитать интегральную чувствительность и построить кривую зависимости .

Таблица 1

Сила света  кд.              Темновой ток  мкА

Номер отвер-стия i

Радиусы отвер-стий , мм

Световой поток Ф, лм

Фототок , мкА

Интегральная чувстви-тельность, В

1

2

3

PAGE  36


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Рис. 1. Схема расположения энергетических зон валентной (1) и свободной (зоны проводимости) (2): а – в металлах; б – в полупроводниках; в – в диэлектриках

Рис. 2. Устройство фотосопротивления

Рис. 3. Световая характеристика фотосопротивления

Рис. 4. Схема экспериментальной установки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73891. Вектори електричного поля, індукції та поляризованості 93.5 KB
  Однорідний протяжний пружний стрижень одновимірний кристал на який діє механічне напруження показано на рис. Механічне напруження не вектор і тому позначається парою стрілок однакових за величиною і протилежних за напрямом...
73894. Ионная упругая поляризация 34.66 KB
  Но во внешнем электрическом поле катионы т анионы смещаются под действием кулоновских сил создавая полярную решетку с элементарными электрическими моментами. Если приложить электрическое поле то к упругой энергии заряженных частиц добавляется энергия накопленная ими в поле...
73895. Электронная тепловая поляризация 123.69 KB
  Тензоры упругости и податливости Приложенные извне механические напряжения Х упруго и обратимо изменяют форму кристалла – происходит его деформация х. Поскольку xmn и Xmn – тензоры второго ранга в анизотропных кристаллах или текстурах можно ожидать что каждая из девяти компонентов деформаций xkp индуктирована девятью компонентами тензора напряжения...
73896. Виникнення класичної буржуазної політичної економії в Англії. 32.5 KB
  Петті Уільям Петті 1623 1687 основоположник класичної політичної економії в Англії. Петті є неоднозначною. У своїх працях особливо ранніх Петті віддає данину меркантилізму. Отже на відміну від меркантилістів які використовували емпіричний описовий метод Петті заклав основи абстрактного методу в політичній економії.
73897. Зародження і проблеми суперечливого розвитку класичної буржуазії політекономії у Франції. 29.5 KB
  Буагільбер У XVII ст. П’єр де Буагільбер 1646 1714 засновник класичної політичної економії у Франції народився в Руані в дворянській сім'ї здобув гарну освіту займався певний час літературною діяльністю потім юриспруденцією. Особливості економічного розвитку Франції позначилися на формуванні економічних поглядів Буагільбера. 1696 Роздрібна торгівля Франції 1699 Міркування про природу багатства грошей і податків 1707 та інших Буагільбер виступає з гострою критикою меркантилізму.
73898. Виникнення політичної економії в Німеччині. Ф. Ліст, “Стара і нова” історичні школи В. Рошер, К. Кніс, Б. Гільдебранд, Г. Шмолер, В. Зомбард, Брентано 50.5 KB
  Німеччина XIX ст. — це країна, що складалася з політично й економічно відособлених держав, обєднаних у конфедерацію за національною ознакою. їхня економічна відособленість базувалась на феодальних відносинах