Лабы 3 Семестр / 0207 Маликов Отчет Лабораторная работа №14

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра физики

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №14

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Выполнил: Маликов Б.И.

Группа № 0207

Преподаватель: Мазуренко В.С.

Вопросы		Задачи ИДЗ					Даты коллоквиума		Итог

Санкт-Петербург

2021

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

ФС – фотосопротивление (типа ФС – Al); PU – вольтметр; РА – микроамперметр; R – реостат; S_Э эталонная лампа накаливания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптической скамье.

Объектом исследования является фотосопротивление (рис. 14.3) – тонкий слой 1 полупроводникового материала, нанесенный на изолирующую пластинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся конструкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Явление уменьшения электрического сопротивления вещества под действием излучения было открыто в 1873 г. Его причиной является перераспределение электронов по энергетическим состояниям в полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света, которое впоследствии было названо внутренним фотоэффектом.

Для полупроводников удельная электропроводность определяется соотношением:

Величина фотопроводимости собственных полупроводников определяется выражением:

В результате количество вышедших фотоэлектронов dN_e оказывается пропорциональной количеству фотонов dN_ф, падающих на поверхность металла в течение времени dt:

Освещенность E, определяемая как количество энергии, падающей на единицу площади поверхности S, при облучении монохроматическим светом, пропорциональна потоку dN_Ф/dt фотонов:

Отсюда интенсивность фотогенерации:

Характеристиками фотосопротивления являются интегральная чувствительность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излучения (спектральная характеристика) и от освещенности (световая характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от приложенного напряжения U, поэтому при задании чувствительности необходимо пользоваться понятием удельной чувствительности:

Зависимость фототока от освещенности может быть представлена как:

Логарифмируя полученное выражение придем к линейной зависимости:

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Построим графики зависимости темнового тока I_T и фототока I_Ф от напряжения U на фотосопротивлении для двух значений освещенности E₁ и E₂ для расстояний r₁ = 20см и r₂ = 10см (графики расположим на одном чертеже):

2. Построим графики зависимости фототока I_Ф от освещенности E для двух значений напряжения U (10 и 15 В):

2.1 Вычислим значение освещенности E для каждого из значений r:

По формуле: E = , где J = 25 [лм].

Таким образом:

E₁ = = 2500 [лк]

E₂ = = 1111 [лк]

E₃ = = 625 [лк]

E₄ = = 400 [лк]

E₅ = = 278 [лк]

E₆ = = 204 [лк]

E₇ = = 156 [лк]

Табл. 1

E1, лк	E2, лк	E3­, лк	E4, лк	E5, лк	E6, лк	E7, лк
2500	1111	625	400	278	204	156

2.2 Построим график зависимости I(E):

3. Вычислим удельную чувствительность фотосопротивления _U = I_Ф/SEU при рабочем напряжении U =15В для двух расстояний от фоторезистра до источника r = r_min и r r = r_max. Площадь сечения полупроводникового слоя S = 96мм²:

По формуле: Г_U = .

Таким образом:

Г_Umin = = 15 [

Г_Umax = = 53,4 [

4. Cоздадим выборку параметра γ и найти по этой выборке объема N = 3, 4 или 5 значение γ =   с P = 95%. Очевидные промахи из таблицы исключим:

По формуле: γ = -

4.1 Для U = 10 В:

γ₁ = - = 0,542

γ₂ = - = 0,581

γ₃ = - = 0,624

γ₄ = - = 0,595

γ₅ = - = 0,705

γ₆ = - = 0,836

4.2 Для U = 15 В:

γ₁ = - = 0,542

γ₂ = - = 0,588

γ₃ = - = 0,611

γ₄ = - = 0,645

γ₅ = - = 0,605

γ₆ = - = 0,577

4.3 Для U = 10 В:

4.3.1 Упорядочим выборку в порядке возрастания, промахи не учитываются:

γ = {0,542; 0,581; 0,595; 0,624}

4.3.2 Рассчитаем среднее выборочное значение:

= 0,586

4.3.3 Рассчитаем СКО среднего:

S γ ^- = = 0,017

4.3.4 Определим случайную погрешность по коэффициенту Стьюдента при N=4 и P=95%: t_p,N=3,2 – по таблице;

= t_p,N∙ S_F => = 0,0544

4.3.5 Вычислим Ѳ_𝛾:

Ѳ_𝛾 = 0,593∙( ∙|ln | + |ln |) = 0,022

4.3.6 Рассчитаем полную погрешность результатов измерений, при Ѳ_𝛾=0,022:

= => =0,06

4.3.7 Запишем результат измерений в округлённой форме:

γ = 0,59 ± 0,06

4.4 Для U = 15 В:

4.4.1 Упорядочим выборку в порядке возрастания, промахи не учитываются:

γ = {0,542; 0,577; 0,588; 0,605; 0,611}

4.4.2 Рассчитаем среднее выборочное значение:

= 0,585

4.4.3 Рассчитаем СКО среднего:

S γ ^- = = 0,081

4.4.4 Определим случайную погрешность по коэффициенту Стьюдента при N=5 и P=95%: t_p,N=2,8 – по таблице;

= t_p,N∙ S_F => = 0,227

4.4.5 Рассчитаем полную погрешность результатов измерений, при Ѳ_𝛾=0,022:

= => =0,228

4.4.6 Запишем результат измерений в округлённой форме:

γ = 0,6 ± 0,2

5. По полученным значениям построим таблицу:

Для U = 10 В:

№	r0 = rmax = 40 см				IФ0 = IФmin = 8 мкА				𝛾		Ѳ𝛾
	r, см	r/r0	ln r/r0	IФ, мкА		IФ/IФ0	ln IФ/IФ0
1	10	0,25	1,386	36		4,5	1,504	0,542		0,022
2	15	0,375	0,981	25		3,125	1,139	0,581
3	20	0,5	0,693	19		2,375	0,865	0,624
4	25	0,625	0,470	14		1,75	0,559	0,595
5	30	0,75	0,288	12		1,5	0,405	0,705
6	35	0,875	0,134	10		1,25	0,223	0,836
7	40	1	0	8		1	0	-

Для U = 10 В:

№	r0 = rmax = 40 см			IФ0 = IФmin = 12 мкА				𝛾		Ѳ𝛾
	r, см	r/r0	ln r/r0	IФ, мкА	IФ/IФ0	ln IФ/IФ0
1	10	0,25	1,386	54	4,5	1,504	0,542		0,022
2	15	0,375	0,981	38	3,167	1,153	0,588
3	20	0,5	0,693	28	2,333	0,847	0,611
4	25	0,625	0,470	22	1,833	0,606	0,645
5	30	0,75	0,288	17	1,417	0,349	0,605
6	35	0,875	0,134	14	1,167	0,154	0,577
7	40	1	0	12	1	0	-

ВЫВОД

В ходе данной лабораторной работы были получены данные, на основании которых удалось построить графики зависимости темнового тока I_T и фототока I_Ф от напряжения U на фотосопротивлении для двух значений освещенности и графики зависимости фототока I_Ф от освещенности E для двух значений напряжения.

При этом, были вычислены значения удельной чувствительности фотосопротивления: (Г_Umin = 15 [ , Г_Umax = 53,4 [ ).

Также, анализируя полученные значения 𝛾: для U = 10 В - γ = 0,59 ± 0,06; для U = 15 В - γ = 0,6 ± 0,2, делаем вывод, что значения приблизительно равны, что говорит о верности проведения данной лабораторной работы.