Лабораторная работа № 6.7 изучение вентильного фотоэффекта Цель работы

Изучение вентильного фотоэффекта. Построение световых характеристик, определение чувствительности фотоэлемента.

Краткая теория

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении электродвижущей силы в переходе под действием света. переход образуется в области контакта полупроводников с разным типом проводимости или в области контакта полупроводника и металла. Наибольшее практическое значение имеет вентильный фотоэффект, возникающий в области контакта полупроводников с разным типом проводимости. Рассмотрим именно такой случай.

Имеется монокристалл с переходом А-А в месте контакта полупроводниковитипа, рисунок 7.1а. Толщина одного из полупроводников, в нашем случае полупроводника типа, очень мала, так, что этот полупроводник прозрачен для света. При отсутствии светового потока на контакте А-А электронного “” и дырочного “” полупроводников (рисунок 7.1а) благодаря контактным явлениям возникает контактная разность потенциалов и контактное электрическое поле. Причем полупроводник типа “” заряжен положительно, а полупроводник типа “”- отрицательно.

При освещении перехода полупроводников светом (рисунок 7.1б) фотоны света взаимодействуют с валентными электронами полупроводников впереходе и стремятся передать электронам свою энергию. Если энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны основного полупроводника:

, (1)

то из валентной зоны электроны могут перебрасываться в зону проводимости, а в валентной зоне при таких переходах появляются дырки (рисунок 7.2). Благодаря этому впереходе возникают дополнительные свободные носители заряда, электроны и дырки.

Под действием контактного поля фотоэлектроны из перехода перемещаются в полупроводник- типа, а дырки перемещаются в полупроводник- типа (рисунок 7.1б). Этот процесс приводит к накоплению добавочных отрицательных зарядов в “” полупроводнике и положительных зарядов в “” полупроводнике. На границах перехода появляется дополнительная разность потенциалов, которая и представляет собойфотоэлектродвижущую силу (фото-э.д.с.).

Если включить такой переход в замкнутую электрическую цепь, то в этой цепи под действием света возникнет электрический ток, который называетсяфототоком. Возникающий в цепи фототок зависит от падающего светового потока, сопротивления цепи и свойств фотоэлемента.Зависимость фототока от светового потоканазывается световой характеристикой фотоэлемента.Обычно световая характеристика строится в виде графикав режиме короткого замыкания, т.е. при сопротивлении внешнего участка цепи.

В нашей установке:

, (2)

где - освещенность фотоэлемента, а- его площадь. Так как мы используем точечный источник света и луч света перпендикулярен к поверхности фотоэлемента, то:

(3)

Здесь - сила света источника,- расстояние от источника света до фотоэлемента.

Тогда:

(4)

Важной характеристикой фотоэлемента является его чувствительность. Чувствительностью называется отношение фототока к падающему на фотоэлемент световому потоку:

(5)

Обычно чувствительность измеряется в микроамперах на люмен. Учитывая (4), получим:

(6)

Если перед фотоэлементом установлена диафрагма с диаметром , меньшим диаметра фотоэлемента, то- это площадь светового пятна, вырезаемого диафрагмой. Тогда:

(7)

Формула (7) является рабочей для экспериментального определения чувствительности фотоэлемента. Еще раз напоминаем, что обычно в формулу (7) фототок подставляется в микроамперах.