Описание лабораторной установки.
Литература
1. [1], §§ 27.8, 27.9.
2. [2], гл. 18.
3. [5], стр. 230 – 235
Вопросы входного контроля
1. Какова природа электропроводности полупроводников. Типы проводимости полупроводников.
2. Зонная теория полупроводников.
3. Как возникает контактная разность потенциалов?
4. В чем заключается явление внешнего и внутреннего фотоэффекта?
5. Устройство и принцип действия селенового фотоэлемента.
6. Как изменяется фото – ЭДС при изменении силы света источника, площади поверхности и угла между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности в точке падения луча?
Краткая теория
В основе работы этого типа датчиков лежит фотоэффект. Фотоэффект - явления, возникающие при взаимодействии света и вещества (внешний фотоэффект), либо изменение проводимости этого вещества (внутренний фотоэффект).
Внутренний фотоэффект можно наблюдать в полупроводниках. Если энергия фотонов, поглощаемая электронами полупроводника, больше энергии активации, то электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведёт к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Т.о., при освещении полупроводников увеличивается их проводимость.
Полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещённости, называется фоторезистором.
Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект (фотогальванический эффект), возникающий при освещении контакта полупроводников с различной проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем: при контакте полупроводников р- и n- типа создается контактная разность потенциалов (КРП), которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт – «дырок» в n- область, электронов в р-область.
Рис. 1. Образование КРП при контакте полупроводников
разных типов.
Таким образом, КРП выполняет функцию разделителя зарядов разных знаков: в n – области происходит накопление электронов и она приобретает заряд «минус», а в р - области - дырок, и она приобретает заряд «плюс». Такое пространственное разделение зарядов по обе стороны от контакта образует электродвижущую силу. При действии света в освещенном слое происходит внутренний фотоэффект, в результате которого образуются дополнительные пары электрон-дырка, что приводит к увеличению ЭДС.
Количество электронов и дырок, освобождающихся под действием света, а соответственно и ЭДС пропорциональны потоку энергии излучения. Поэтому электродвижущая сила, возникающая в фотоэлементе и зависимая от освещенности поверхности называется фотоэлектродвижущей силой (фото - ЭДС) (рис. 2).
Если замкнуть цепь, содержащую освещаемый фотоэлемент, то в ней возникает ток (фототок).
Рис. 2. Образование фото - ЭДС.
Количество зарядов, генерирующихся в полупроводнике в единицу времени, а, значит фото - ЭДС элемента (eфото), пропорциональны световому потоку, падающему на фотоэлемент (Ф).
eфото ~ Ф (1.1)
По законам фотометрии освещённость поверхности (Е) определяется световым потоком, падающим на поверхность единичной площади, поэтому:
Е = Ф/S (1.2)
Освещённость, создаваемая точечным источником света на некотором расстоянии от него, равна:
E = (I/R2)cos (1.3),
где I – сила света источника,
R – расстояние от источника до облучаемой поверхности.
– угол между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности в точке падения луча.
Тогда с учетом формул (1.1 – 1.3) получается:
eфото ~ (IS/R2)cos (1.4)
Зависимость фототока от потока излучения лежит в основе работы люксметров, приборов для измерения уровня освещенности.
Практическая часть
2.1. Задание 1. Исследовать зависимость фото-ЭДС, возникающей в фотоэлементе, от угла падения светового потока.
2.1.1. Приборы и оборудование: лабораторная установка, источник тока, микроамперметр.
Описание лабораторной установки.
Основной частью лабораторной установки является селеновый фотоэлемент, который способен поворачиваться, изменяя этим угол падения света от источника. Источником света является электрическая лампочка, подключенная к источнику постоянного напряжения до 15В. Оценка применения фото – ЭДС производится по показаниям измерительного прибора (микроамперметра), подключенного к фотоэлементу (Ф). Принципиальная схема представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки.
Работа селенового фотоэлемента основана на возникновении вентильного фотоэффекта, возникающего в фотоэлементе при его облучении. КРП в селене возникает в результате образования запирающего слоя между слоем селена с диффундированными в него атомами серебра у верхнего полупрозрачного электрода (n-слоя) и чистым селеном, обладающим р - проводимостью. Устройство селенового фотоэлемента на рис. 4.
Вэ – верхний полупрозрачный электрод
Sе – слой селена толщиной = 0,1мм
Hэ – нижний электрод, стальная пластинка
Рис. 4. Устройство селенового элемента.
Лабораторная установка позволяет изменять величину фото - ЭДС, возникающий в селеновом фотоэлементе, несколькими способами:
(см. формулу 1.4.)
- изменяя силу света лампы;
- изменяя расстояние от лампы до фотоэлемента;
- изменяя площадь фотоэлемента;
- изменяя угол падения света на фотоэлемент.
Ход работы.
1. Собрать установку для измерения. На источник света подать напряжение 2-6 В.
2. Установить поверхность фотоэлемента перпендикулярно световому потоку (угол 0 градусов).
3. Провести измерение фото- ЭДС при угле поворота фотоэлемента от 0 до 90 градусом с шагом 10 градусов.
4. Построить зависимость фото – ЭДС от угла поворота.
2.2. Задание 2. При помощи люксметра определить освещённость рабочих мест в учебной лаборатории при естественном и искусственном освещении.
2.2.1. Оборудование: промышленный люксметр любого типа.