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

72484. Основные сведения о конструкции и технологии заклепочных соединений, классификация, области применения 469 KB
  Заклепочное соединение является неразъемным. В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокатных профилей. Соединение образуют расклепыванием стержня заклепки, вставленной в отверстие деталей – рис.3.1, где 1 – обжимка; 2 – прижим при машинной клепке...
72485. Східні слов’яни. Зародження української державності. Київська Русь 78 KB
  На початку XII ст. Київська Русь розпадається на окремі князівства. Син Володимира Мономаха Мстислав продовжував справу свого батька, тримав укупі руські землі та зберігав владу Київського престолу. Але він був останнім київським правителем, якому це було під силу.
72486. Українські землі у складі Великого князівства Литовського та Речі Посполитої 100 KB
  Економічний розвиток та соціальний устрій українських земель у ХІV першій половині ХVІ ст. Литва здобула більшу частину білоруських українських частину російських земель. Політика Литви в українських землях Литовські князі щоб забезпечити управління величезними завойованими територіями...
72487. Ожоги, отморожения, отравления. Оказание ПМП 82.5 KB
  Первая медицинская помощь при термических ожогах. Первая медицинская помощь при химических ожогах. Первая медицинская помощь при отморожениях. Первая помощь в скрытом периоде: медленное согревание в ваннес с постепенным увеличением температуры.
72488. Электротравма. Утопление. Тепловой и солнечный удар. Инородные тела. Укусы животных, насекомых, змей. Оказание ПМП 79 KB
  Первая медицинская помощь при электротравме: устранить воздействие тока на пострадавшего выключить электроустановку откинуть электропровод и т.; осмотр пострадавшего; при потере сознания немедленно проводить искусственное дыхание при остановке сердца сочетать искусственное дыхание...
72489. Сердечно – легочная реанимация 63.5 KB
  Обеспечить проходимости дыхательных путей: освободить полость рта и глотки от инородных масс кровь слизь рвотные массы зубные протезы жвачка рукой обернутой салфеткой платком предварительно повернув голову спасаемого набок.
72490. Введение лекарственных средств 79 KB
  Перед инъекцией кожу протирают стерильным шариком смоченным 70 раствором спирта левой рукой собирают ее в складку треугольной формы основанием вниз правой рукой берут шприц и придерживая иглу и поршень быстрым движением вкладывают иглу в основании треугольника под углом 45 на глубину 12 см.
72491. ПМП при острых заболеваниях брюшной полости, почечной колике 92 KB
  Возникает рвота кишечным содержимым имеющим неприятный каловый запах. Местный перитонит возникает при отграничении участка воспаления спайками петлями кишечника; локализуется вблизи источника воспаления желчный пузырь червеобразный отросток. Возникает в результате воспалительных процессов в матке или придатках.
72492. Раны. Кровотечения 101.5 KB
  Рана – механическое нарушение целостности кожи, слизистых оболочек с повреждением глубинных тканей. Основные признаки раны: боль – наиболее выражена в местах с наибольшим количеством нервных окончаний (кончиках пальцев, надкостница, плевра). кровотечение – абсолютный признак раны.