7.4.2. Лабораторна робота "Застосування фотоелемента для виміру освітленості та визначення його чутливості"

Мета роботи: Ознайомитись з принципом дії вентиль­ного фотоелемента. Визначити інтегральну чутливість фо­тоелемента. Навчитися використовувати фотоелемент для виміру освітленості.

Прилади та обладнання: Лабораторна установка, що вміщує: селеновий фотоелемент, оптичну лаву, лампу роз­жарювання, мікроамперметр.

Питання для підготовки до лабораторної роботи

1. Зовнішній фотоефект.

2. Закони зовнішнього фотоефекту.

3. Застосування зовнішнього фотоефекту.

4. Фотоефект в напівпровідниках.

5. Застосування внутрішнього фотоефекту.

Додаткова література

1. Ливепцев Н.М. Курс физики. - М: Высшая школа, 1978. - Ч. 2.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа, 1996.

Короткі теоретичні відомості

Вентильний фотоелемент (фотоелемент із запираючим шаром) становить основу люксметра - приладу для вимі­рювання освітленості. Розглянемо принцип його дії. Як відомо, у місці контакту напівпровідників ви

никає областьзавтовшки 0.1 мкм. Для цієї області характерними є мала концентрація носіїв заряду (вільних електронів і дірок) та наявність контактної різниці потенціалів (рис. 9.35). При освітленніта прилеглих до нього областей у напівпровідниках відбува­ється явище внутрішнього фотоефекту, тобто утворюють­ся пари дірка-електрон. Якщо народження такої пари від­бувається поряд з областю р-п переходу, то і електрон, і дір­ка можуть уникнути рекомбінації на шляху доПід дією електричного поля р-п переходу заряди, що утво­рились, розділяються. Так, наприклад, дірка, що утворилася під дією світла в області напівпровідникаі досягла області переходу, буде втягнута електричним полем , переходу в область напівпровідника p-типу, в той час як електрон залишається в області напівпровідника n-типу. Таким чином, розділення зарядів, що утворилися, відбувається внаслідок односторонньої ("вентильної ") про­відності р-п переходу для неосновних носіїв (дірок - для

напівпровідників n-типу та електронів - для напівпровідни­ків p-ТИПу).

У результаті розділення зарядів між напівпровідниками та-типів виникає електрорушійна сила, її величина досягаєі визначається кількістю електроннодіркових пар, що утворилися в результаті внутрішнього фотоефекту. Кількість цих пар, в свою чергу, пропорційна кількості фотонів, що падають на фотоелемент, тобто освітленості фотоелемента.

Рис. 7.14. Розділення зарядів, що утворилися під дією світла, у вентильному фотоелементі.

Рис. 7.15. Схема селенового фотоелемента із запираючим шаром.

Вентильні фотоелементи виготовляють на основі селе­на, германія, кремнія, сірчастого срібла. У цій лабораторній роботі ми маємо справу з селеновим фотоелементом (рис. 7.15). На поліровану залізну пластинку, яка є одним з електродів фотоелемента, наносять шар селена з провідністю(основні носії - дірки). Зверху на шар селена напиляють тонкий, прозорий для світлових променів шар срібла, котрий виконує роль другого електрода. За рахунок дифузії атомів срібла в шар селена останній набуває провідності и-типу (основні носії - електрони). Між чистим селеном та селеном з домішками срібла виникає область р-п переходу. Світло легко проходить крізь прозору плівку і викликає явище внутрішнього фотоефекту в шарі селена (в основному в шарі селена типу). В результаті розділення зарядів - електронів та дірок - електричним полем р-п переходу виникає електрорушійна сила, при цьому залізна пластинка має додатний заряд. Якщо плівку срібла з'єднати з залізною пластинкою провідником, підключивши в коло гальванометр, то останній покаже присутність електричного струму, що тече в зовнішньому колі від залізадо верхнього електрода

Таким чином, вентильний фотоелемент поводить себе при освітленні як генератор ЕРС, причому величина фото­струмувиявляється пропорційною до величини світло­вого потоку Ф, який падає на активну поверхню фотоеле­мента:" " Коефіцієнт пропорційності k називається інтегральною чутливістю. Він чисельно дорівнює силі струму в колі фотоелемента, який виникає за умови освітлення активної поверхні світловим потоком в 1 люмен:

Чутливість селенових фотоелементів досить значна і може досягти 500 мкА/лм.

Якщо активна поверхняфотоелемента освітлюється потоком світла Ф, то

де - освітленість поверхні фотоелемента. Отже, маємо

Оскільки інтегральна чутливість фотоелемента k та його активна поверхня S - величини сталі, то величина фотостру­му і_ф виявляється пропорційною до освітленості Е. Освітле­ність фотоелемента у випадку точкового джерела світла (коли відстань між лампою та фотоелементом значно біль­ша за розміри нитки розжарювання лампи) розраховується за формулою:

де - відстань між джерелом світла та поверхнею фото­елемента, а - сила світла джерела (значеннявказане на приладі).

Порядок виконання лабораторної роботи

Завдання І. Виконати градуювання вентильного фото­елемента.

1. Ознайомитися з лабораторною установкою для граду-їровки фотоелемента (рис. 7.16).

2. Підключити джерело світла до джерела струму.

3. Для 5-6 відстаней R між фотоелементом та джерелом світла визначити силу фотоструму.

4. Для кожної з цих відстаней розрахувати освітленість Е за формулою в люксах (лк).

Рис. 7.16. Установка для градуювання фотоелемента.

5. Результат занести до таблиці.

Таблиця. Значення освітленості та фотоструму

6. За даними таблиці побудувати графік

7. Одержаний графік може бути використаний для вимі­ру освітленості будь-якої поверхні. Для цього досить розта­шувати фотоелемент на цій поверхні і визначити і_ф. Значення освітленості поверхні, що відповідає одержаному значенню і_ф, визначається за допомогою графіка

Завдання 2. Визначити інтегральну чутливість фото­елемента.

1. На ділянці графіка, де спостерігається лінійна залеж­ність міжта освітленістю Е (для досить великих відста­ней R), взяти точку і визначити для неї та Е.

2. Розрахувати площу активної поверхні фотоелемента за такою формулою: - діаметр поверхні фотоелемента (вказаний на приладі).

3. Розрахувати величину чутливості фотоелемента за такою формулою:

де значенняодержані в пп. 1, 2.

Контрольні запитання

1. У чому полягає явище внутрішнього фотоефекту?

2. У чому полягає принцип дії вентильного фотоелемента?

3. Опишіть будову та принцип дії селенового елемента.

4. Що називається інтегральною чутливістю фотоелемента?

5. Як визначається інтегральна чутливість фотоелемента в цій лабораторній роботі?