<Внутрішній фотоефект в напівпровідниках

Лабораторна робота № 8.3

Внутрішній фотоефект в напівпровідниках

Прізвище _____________   Група ______   Дата ______

 

Мета роботи: дослідити залежність струму через фоторезистор від величини падаючого світлового потоку та величини прикладеної напруги.

 

 

Теоретичні відомості

 

Прилади, робота яких ґрунтується на внутрішньому фотоефекті, називаються фото опорами або фоторезисторами.

Фоторезистор ФСД-12, який використовується в роботі, виготовлений з селеніду кадмія, який має ширину забороненої зони 1,5еВ. Максимуму спектральної чутливості  даного фоторезистора відповідає довжина хвилі електромагнітного випромінювання . Інтегральну чутливість фоторезистора можна оцінити відношенням числа квантів, що викликали фотоефект, до загального числа квантів випромінювання, що потрапили на чутливу поверхню фоторезистора. Оскільки експериментально квантовий вихід визначити складно, інтегральну чутливість визначають як відношення величини відносної зміни опору фоторезистора до приросту потоку енергії випромінювання, що викликав цю зміну:

 

,

 

де  - опір чутливого шару фоторезистора під час опромінювання його потоком  (визначається для середнього значення потоку в проміжку ).

На малюнку  показано залежність :

 

Оскільки залежність  від  нелінійна, то інтегральну чутливість η фоторезистора, як правило, визначають на різних ділянках  залежності, наприклад, на ділянках 1, 2, 3.

В тих випадках, коли в колі фоторезистора змінюється сила струму  (чи напруга на резисторі ), прийнято визначати  струмову чи вольтову чутливість η як відношення приросту струму (чи напруги) до приросту світлового потоку , який падає на поверхню фоторезистора, що його викликав:

 

.

 

Оскільки сила струму в колі фоторезистора залежить не тільки від падаючого світлового потоку, але й від напруги на фоторезисторі, введено поняття  питомої чутливості , яка є величиною струмової чи вольтової чутливості, що припадає на одиницю напруги:

 

,

 

де - напруга на фоторезисторі.

 

 

Опис лабораторної установки та методика експерименту

 

Схема лабораторної установки показано на малюнку:

 

U6,3 В 

 

Світло від лампи розжарювання падає на  фоторезистор   та змінює його опір. За допомогою вольтметра вимірюється напруга на фоторезисторі,  яка може змінюватися від 0 до 10В. Міліамперметр вимірює силу струму, що тече крізь фоторезистор. При великих падаючих світлових потоках опір  під’єднується тумблером SА1 та максимальний струм, що вимірюється, становить 5 мА. Падаючий світловий потік розраховується за формулою:

 

,

 

де  - сила світла лампи; - площа чуттєвого до світла шару фоторезистора; - кут між напрямком світлового потоку та нормаллю до чуттєвої до світла поверхні;  - відстань від лампи до фоторезистора, що визначається за шкалою на приладі.

Сила світла лампи:

 

,

 

де  - світловий потік, що випромінюється лампою;  - повний тілесний кут.

Світловий потік можна знайти, знаючи величину світлової віддачі лампи

 

,

 

де   - потужність, що споживається лампою.

Для даної лампи  при , ;

 

.

 

Сила світла лампи .

Підставляючи значення , площі  чутливої до світла поверхні резистора та відстань , отримаємо величину падаючого світлового потоку :

 

.

 

Отже, падаючий світловий потік змінюється обернено пропорційно до квадрату відстані від фоторезистора до лампи розжарювання.

 

Порядок виконання роботи

 

  1. Підєднати до міліамперметра шунт та виставити межу вимірювання сили струму .
  2. Ввімкнути живлення фоторезистора, встановивши напругу

10 В та живлення лампи 6,3 В.

  1. Визначити силу струму в резисторі при мінімальній відстані між резистором та лампою, а потім, збільшуючи  через 1см, зняти залежність сили струму  від падаючого світлого потоку  за умови сталої напруги на резисторі. Світловий потік обчислити за формулою:  ( виразити в метрах).
  2. Обчислити опір фоторезистора  для всіх значень сили струму за формулою:

 

.

 

Дані занести в таблицю:

 

№ п/п

(м)

(А)

(Ом)

(лм)

(В)

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

  1. Побудувати графік залежності  від .
  2. Розрахувати за графіком для трьох ділянок інтегральну чутливість фоторезистора

 

,

 

де  береться для середнього значення потоку в проміжку

  1. Побудувати графік залежності  від .
  2. Розрахувати за графіком залежності  струмову та питому чутливість фоторезистора для трьох ділянок характеристики.

 

;

.

 

  1. Встановити лампу на відстані 4 см від фоторезистора та змінюючи вхідну напругу через 1 В (від 10 В до 0), зняти залежність сили струму  в резисторі від напруги  при сталому світловому потоці . Дані занести в таблицю.

 

№ п/п

1

10

 

2

9

 

3

8

 

4

7

 

5

6

 

6

5

 

7

4

 

8

3

 

9

2

 

10

1

 

 

  1. Побудувати графік залежності струму від напруги i = f (u) при сталому світловому потоці.

 

 

 

Контрольні запитання

 

  1. Пояснити властивості напівпровідників з точки зору зонної теорії.
  2. Що називають внутрішнім фотоефектом? Описати внутрішній фотоефект з позицій зонної теорії.
  3. Чи існує червона границя внутрішнього фотоефекту?
  4. Що називають потоком випромінювання?
  5. Що називають фоторезистором7
  6. Що називають  інтегральною чутливістю фоторезистора?
  7. Що називають струмовою чутливістю фоторезистора?
  8. З якою метою підєднують  шунт до амперметру?
  9. Як залежить величина падаючого потоку від відстані між фоторезистором та лампою?
  10. Як залежить опір фоторезистора, сила струму в фоторезисторі при  від величини падаючого потоку ?

 

 

Звіт про виконану роботу

 

1. Величини, які вимірюються:

- відстань між фото резистором та лампою, ;

- сила струму в фоторезисторі, ;

 - напруга на фоторезисторі, .

Величини, що обчислюються:

падаючий світловий потік : ; ;

опір фоторезистора : , ;

інтегральна чутливість фоторезистора  η: , ;

струмова чутливість фоторезистора : , ;

питома чутливість фоторезистора , .

 

2. Результати експерименту