Лабораторная работа № 1 «Работа фотоэлемента в режиме фотоЭдс».

Цель работы:

1. Изучить работу фотоэлемента;

2. Определить зависимость фотоЭДС от освещенности;

3. Рассчитать чувствительность датчика .

Приборы:

Вольтметр ТЕС23, источник питания, люксметр, фотоэлемент.

Фотоэлемент это устройство, предназначенное для преобразования светового сигнала в электрический.

Фотоэлементы применяются в виде: фотоприемников, солнечных батарей и измерителей светового потока.

Рис. 1. Конструкция фотоэлемента с p‑n переходом.

В фотоэлементах на основе p‑n переходов используется эффект разделения неравновесных носителей на границе электронно-дырочного перехода. Неравновесные носители создаются оптическим излучением. Поле p‑n перехода перемещает неосновные носители в ту область, где они являются основными. Появление дополнительных неосновных носителей создаёт фотоЭДС. Схематически фотоэлемент изображен на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение фотоэлемента и схема его включения:

n – эмиттер, p – база.

1. ФотоЭдс на p-n переходе.

Вольт-амперная характеристика для активного режима работы (приложено внешнее напряжение) имеет вид:

. (1)

В отсутствии внешнего источника V_G=0, напряжение фотоэлемента приложено к нагрузочному сопротивлению и обусловлено фототоком при освещении фотоэлемента. Рассмотрим два частных случая уравнения (1).

1.2 Разомкнутая цепь.

При разомкнутой внешней цепи ( ) ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотоэлемента будет максимальным и равным ЭДС фотоэлемента. Эту величину называют напряжением холостого хода V_ХХ. Из уравнения (1), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J_ф и тока нагрузки J_s рассчитать напряжение холостого хода V_XX:

. (2)

Напряжение V_ХХ (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотоэлемента вольтметр в отсутствие нагрузки. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p‑n перехода.

1.3 Режим с подключённой нагрузкой.

В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотоэлемента V_G = 0. Тогда из уравнения (1) следует, что ток короткого замыкания J_кз во внешней цепи равен фототоку J_Ф:

. (3)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J_Ф.

1.4 Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока J_Ф от светового потока Ф, падающего на фотоэлемент. Сюда же относится и зависимость V_XX от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотоэлементе при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотоэлемент. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

, (4)

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотоэлемента. В фотодиодном режиме ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения V_G.

Рис. 2. Световая характеристика фотоэлемента.

Коэффициент пропорциональности К в уравнении (4) получил название интегральной чувствительности фотоэлемента.

Схема установки