Описание прибора

Установка (рис. 67) состоит из футляра с фотоэлементом, перемещающейся лампочки, микроамперметра, вольтметра и регулируемого источника питания.

Р ис. 67

Проведение измерений и обработка результатов

1 Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента

1. Подключить установку к электрической сети.

2. Включением тумблера «ФЭ» замкнуть цепь фотоэлемента.

3. Источником питания осторожно изменять напряжение от 0 до 150 В; через каждые 10 В записывать значения тока , спустя некоторое время после установления очередного значения напряжения U_N.

4. Повторить все измерения в обратном порядке, уменьшая каждый раз напряжение на 10 В и записывая соответствующие показания тока .

5. Найти среднее значение тока для каждого значения напряжения U_N. Результаты занести в таблицу.

N	U, B	I/, мкА	I//, мкА	I, мкА
1
2
3

6. Построить график зависимости тока I от напряжения U.

2. Определение чувствительности фотоэлемента

1. Источником питания осторожно установить напряжение U=150В.

2. Установить лампочку на расстоянии d=0,16 м от отверстия футляра фотоэлемента и включить лампу.

3. Медленно менять положение лампочки от фотоэлемента в пределах от 0,16 м до 0,45 м; через каждые 0,05 м записывать значения тока I.

4. Построить график зависимости тока I от положения лампочки d.

5. По формуле (3) определить чувствительность γ фотоэлемента. Результаты занести в таблицу.

N	d, м	I, мкА	γ¸ мкА/лм
1
2
3

Контрольные вопросы и задания

1. Какова природа внешнего и внутреннего фотоэффекта?

2. Сформулировать и объяснить законы внешнего фотоэффекта.

3. Рассказать об устройстве вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

4. Есть ли ток насыщения у газонаполненных фотоэлементов?

5. Рассказать о применении явления фотоэффекта в науке и технике.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКА И МЕТАЛЛА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: на основе полученных графиков зависимости электросопротивления от температуры оценить степень влияния температуры, а также ширину запретной зоны полупроводника.

Приборы: установка для измерения температурных зависимостей сопротивления, полупроводниковый и медный терморезисторы.

Теоретические сведения

По зонной теории, рассматривающей поведение электронов в твёрдых телах с энергетической точки зрения, к полупроводникам относятся те твёрдые тела, для которых валентная зона полностью занята и отделена от зоны проводимости узкой запретной зоной порядка 1эВ. В этом случае за счёт теплового возбуждения происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 68), а в валентной зоне появляются незанятые энергетические состояния. Под действием внешнего электрического поля по кристаллу будут перемещаться электроны зоны проводимости (рис. 68) и незанятые состояния валентной зоны, причём последние полезно представлять как фиктивные положительные частицы – дырки (рис. 68).

Такая собственная проводимость полупроводника является смешанной – электронно-дырочной. Носители тока в полупроводнике возникают за счёт теплового возбуждения.

Рис. 68

Такая собственная проводимость полупроводника является смешанной – электронно-дырочной. Носители тока в полупроводнике возникают за счёт теплового возбуждения.

Для металлов характерно перекрытие валентной зоны и зоны проводимости (рис. 69). Для возникновения проводимости в металле теплового возбуждения не требуется.

Рис. 69

Удельная электропроводность, созданная потоком носителей, равна γ=qn₀u. Здесь q – заряд носителя, Кл; n₀ – концентрация носителей, 1/м³; u – их подвижность, м²/(В с).

В металлах носителями являются свободные электроны, их концентрация велика и постоянна; температура влияет лишь на подвижность электронов вследствие рассеяния на тепловых колебаниях решётки: u~1/T. Следовательно, для металла: γ~1/T, а сопротивление R_м~T. Температурный коэффициент электросопротивления металла α_м=(1/R_м)(∆R_м/∆T) почти постоянен.

Собственная проводимость полупроводника обеспечивается совместно электронами и дырками, поэтому γ=q^-n₀^-u^-+q⁺n₀⁺u⁺ . Заряды электрона проводимости q^- и дырки q⁺ по величине равны e=1,6∙10^-19Кл, концентрации невелики и одинаковы n₀^-=n₀⁺,а подвижности u^->u⁺. Температура сильно влияет на концентрацию носителей и гораздо слабее – на их подвижность.

Как зависит концентрация носителей в полупроводнике от температуры? Для перехода в зону проводимости электронам необходимо преодолеть энергетический барьер E_запр/2, поскольку уровень ферми, в принципе соответствующий максимальной энергии электронов при абсолютном нуле, лежит посередине запретной зоны (рис. 68).

По больцмановскому закону: . Следовательно, для полупроводника проводимость , а сопротивление полупроводника . Температурный коэффициент сопротивления полупроводника отрицателен и убывает по абсолютной величине с ростом температуры пропорционально 1/Т²:

.

Ширина запретной зоны определяется из графика зависимости lnR_n от обратной температуры 1/Т. В таких координатах график получается прямолинейным (рис. 70) с угловым коэффициентом наклона, равным

.

И металлические, и полупроводниковые сопротивления используются в качестве датчиков в электрических термометрах сопротивления, которые позволяют вести дистанционное измерение температур в широком диапазоне. Чувствительность датчиков определяется величиной температурного коэффициента сопротивления. Для металла характерен слабый линейный рост сопротивления при нагреве, для полупроводника – крутое нелинейное падение. Поэтому металлические и полупроводниковые датчики имеют свои достоинства и свои недостатки.

Рис. 70