Лабораторна робота №13

Дослідження спектральної чутливості

напівпровідникового фотоелемента

Мета роботи: вивчення будови монохроматора та методу його градуювання, дослідження спектральної чутливості напівпровідникового фотоелемента з запірним шаром.

Прилади та обладнання: фотоелемент, монохроматор УМ-2, уні­версальний цифровий вольтамперметр В7-35, ртутна лампа.

Теоретичні відомості

Поряд із зовнішнім фотоефектом існує вентильний фотоефект або фотоефект запірних шарів. Він полягає в безпосередньому перетворенні світлової енергії в електричну.

Вентильний фотоелемент (або фотоелемент із запірним шаром) складається з двох тіл з n- та p-провідністю (рис. 1).

П ри з’єднанні напівпровідників n- та p- типу виникає контактна різниця потенціалів (рис.1). Але робота виходу електронів з напівпровідника n- типу менша, ніж робота виходу дірок напів­провідника p- типу, тому кіль­кість електронів, які перейдуть у напівпровідник p- типу, буде більше кількості дірок, які перейдуть у напівпровідник n- типу. За рахунок цього напівпро­відник n- типу заряджається позитивно. При освітленні такої системи світлом звільняються електронно-діркові пари, й під дією контактної різниці потен­ціалів звільнені електрони будуть рухатися у бік напівпровідника n- типу, а дірки – у бік напівпровідника p- типу. Якщо коло замкнене, як показано на рис.1, то в колі буде протікати струм до тих пір, доки система освітлюється світлом.

Напівпровідникові фотоелементи із запірним шаром дають в колі струм без дії прикладеної зовні електрорушійної сили.

Якщо фотоелемент послідовно освітлювати різними монохро-матичними джерелами, які випромінюють однакову енергію, то величина фотоструму буде залежати від довжини хвилі падаючого світла. Тому поряд з інтегральною чутливістю вводиться поняття спектральної чутливості. Інтегральна чутливість  вимірюється відношенням сили фотоструму до величини потоку світлової енергії Ф білого світла:

Спектральна чутливість _ вимірюється відношенням сили фотоструму до величини потоку світлової енергії Ф_ у вузькому інтервалі довжин хвиль ,  + d, що падає на фотоелемент:

.

Найпростіший спосіб отримання спектральної характеристики фотоелемента полягає в тому, що на останній направляють за допомогою монохроматора світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі і вимірюють відповідну величину фотоструму і.

На практиці інтенсивність джерел світла різна для різних довжин хвиль. Тому, якщо перед монохроматором встановити лампу розжарення і обертати його барабан, то інтенсивність світла різних довжин хвиль, що виходить з окуляра монохроматора, буде неоднаковою.

Однак величина енергії _ для кожного значення  може бути визначена на основі законів теплового випромінювання. Знання залежності _ = f() дозволяє перерахувати силу фотоструму від реального джерела до немонохроматичного джерела постійної інтенсивності в будь-якому спектральному інтервалі.

На рис. 2. представлена залежність енергії випромінювання від довжини хвилі для розжареного вольфраму, який має температуру Т = 2873 К.

На осі ординат відкладена інтенсивність випромінювання J в умовних одиницях. Причому за одиницю інтенсивності прийнята

енергія, яка відповідає довжині хвилі  = 5600 (це довжина хвилі відповідає максимальній чутливості ока).

Д ля світла довжиною хвилі  = 5600 Å фотострум і в стільки разів менший, ніж струм від джерела постійної інтенсивності , в скільки разів _ менше від  = ₅₆₀₀.

Тому для того, щоб зробити перерахунок, покази гальванометра (фотострум) слід помножити на коефіцієнт k.

Тоді, для    5600 Å, ; для  > 5600 Å, .

Для визначення чутливості фотоелемента зазвичай користу­ються еталонними лампами з відомими кривими Віна, або ж визначають пірометром температуру нитки лампи розжарення і, знаючи матеріал спіралі нитки, за табличними даними будують криву Віна _ = f(). Потім визначають коефіцієнт k для різних довжин хвиль (див. таблицю 1). В даній роботі використана лампа з вольфра­мовою спіраллю (робоча температура Т = 2873 К). Значення k для різних довжин хвиль наведені нижче.

Перед вхідною щілиною монохроматора встановлена лампа розжарення, а перед вихідною – досліджуваний напівпровідниковий фотоелемент із запірним шаром (селеновий). Фотоелемент з’єднаний з універсальний цифровий вольтамперметр В7-35, що працює в режимі амперметра.