Короткi теоретичнi вiдомостi
Вентильний фотоелемент (фотоелемент iз запираючим шаром) становить основу люксметра – приладу для вимiрювання освiтленостi. Розглянемо принцип його дiї. Як вiдомо, у мiсцi контакту напiвпровiдникiв p- та n-типiв виникає область p-n переходу завтовшки 0.1 мкм. Для цiєї областi характерними є мала концентрацiя носiїв заряду (вiльних електронiв і дiрок) та наявнiсть контактної різницi потенцiалiв (мал. 9.35). При освiтленнi p-n переходу та прилеглих до нього областей у напiвпровiдниках вiдбувається явище внутрiшнього фотоефекту, тобто утворюються пари дiрка-електрон. Якщо народження такої пари вiдбувається поряд з областю p-n переходу, то i електрон, i дiрка можуть уникнути рекомбiнацiї на шляху до p-n переходу. Пiд дiєю електричного поля p-n переходу заряди, що утворились, роздiляються. Так, наприклад, дiрка, що утворилася пiд дiєю свiтла в областi напiвпровiдника n-типу i досягла областi p-n переходу, буде втягнута електричним полем p-n переходу в область напiвпровiдника p-типу, в той час як електрон залишається в областi напiвпровiдника n-типу. Таким чином, роздiлення зарядiв, що утворилися, вiдбувається внаслiдок односторонньої (“вентильної”) провiдностi p-n переходу для неосновних носiїв (дiрок – для напiвпровiдникiв n-типу та електронiв – для напiвпровiдникiв p-типу). В результатi роздiлення зарядiв мiж напiвпровiдниками p- та n-типiв виникає електрорушiйна сила. Її величина досягає ~0.1–15 В i визначається кiлькiстю електронно-дiркових пар, що утворилися в результатi внутрiшнього фотоефекту. Кiлькiсть цих пар, в свою чергу, пропорцiйна кiлькостi фотонiв, що падають на фотоелемент, тобто освiтленостi фотоелемента.
Вентильнi фотоелементи виготовляють на основi селена, германiя, кремнiя, сiрчастого срiбла. У нашiй роботi ми маємо справу з селеновим фотоелементом (мал. 9.36). На полiровану залiзну пластинку, яка є одним з електродiв фотоелемента, наносять шар селена з провiднiстю р-типу (основнi носiї - дiрки). Зверху на шар селена напиляють тонкий, прозорий для світлових променiв шар срiбла, котрий виконує роль другого електрода. За рахунок дифузiї атомiв срiбла в шар селена останнiй набуває провiдностi n-типу (основнi носiї – електрони). Мiж чистим селеном та селеном з домiшками срiбла виникає область p-n переходу. Свiтло легко проходить крiзь прозору плiвку i викликає явище внутрiшнього фотоефекту в шарi селена (в основному, в шарi селена n-типу). В результатi роздiлення зарядiв – електронiв та дірок – електричним полем p-n переходу виникає електрорушiйна сила, при цьому залiзна пластинка має додатний заряд. Якщо плiвку срiбла з’єднати з залiзною пластинкою провiдником, пiдключивши в коло гальванометр, то останнiй покаже присутнiсть електричного струму, що тече в зовнiшньому колi вiд залiза Fe (+) до верхнього електрода М (–). Таким чином, вентильний фотоелемент поводить себе при освiтленнi як генератор ЕРС, причому величина фотоструму iФ виявляється пропорцiйною до величини свiтлового потоку Ф, який падає на активну поверхню фотоелемента: iФ = kФ. Коефiцiєнт пропорцiйностi k зветься iнтегральною чутливiстю. Вiн чисельно дорiвнює силi струму в колi фотоелемента, який виникає при умовi освiтлення активної поверхнi свiтловим потоком в 1 люмен: k = iФ /Ф мкА / лм. Чутливiсть селенових фотоелементiв досить значна i може досягти 500 мкА/лм. Якщо активна поверхня S фотоелемента освiтлюється потоком свiтла Ф, то Ф = ES, де Е – освiтленiсть поверхнi фотоелемента. Отже, маємо iФ = kФ = kES. Оскiльки iнтегральна чутливiсть фотоелемента k та його активна поверхня S – величини сталi, то величина фотоструму iФ виявляється пропорцiйною до освiтленостi Е. Освiтленiсть фотоелемента у випадку точкового джерела свiтла (коли вiдстань мiж лампою та фотоелементом значно бiльше за розмiри нитки розжарювання лампи) розраховується за формулою: E = I / R2, де R – вiдстань мiж джерелом свiтла та поверхнею фотоелемента, а I – сила свiтла джерела (значення І вказане на приладі). Завдання 1. Виконати градуювання вентильного фотоелемента. Порядок виконання: 1. Ознайомитися з лабораторною установкою для градуїровки фотоелемента (мал. 9.37). 2. Пiдключити джерело свiтла до джерела струму. 3. Для 5-6 вiдстаней R мiж фотоелементом та джерелом свiтла визначити силу фотоструму. 4. Для кожної з цих вiдстаней розрахувати освiтленiсть Е за формулою E = I / R2 в люксах (лк). Мал. 9.37.Установка для градуювання фотоелемента. 5. Результат занести до таблицi.
6. За даними таблицi побудувати графiк iФ = f(E). 7. Одержаний графiк може бути використаний для вимiру освiтленостi будь-якої поверхнi. Для цього досить розташувати фотоелемент на цiй поверхнi i визначити iФ. Значення освiтленостi поверхнi, що вiдповiдає одержаному значенню iФ, визначається за допомогою графiка iФ = f (E). Завдання 2. Визначити iнтегральну чутливiсть фотоелемента. Порядок виконання 1. На дiлянцi графiка, де спостерiгається лiнiйна залежнiсть мiж iФ та освiтленiстю Е (для досить великих вiдстаней R), взяти точку i визначити для неї iФ та Е. 2. Розрахувати площу активної поверхнi фотоелемента за формулою S = pd 2 / 4, де d – дiаметр поверхнi фотоелемента (вказаний на приладі). 3. Розрахувати величину чутливостi фотоелемента за формулою: k = iФ/SE, де значення iФ, Е та S одержанi в пп. 1, 2. Контрольні питання 1. В чому полягає явище внутрiшнього фотоефекту? 2. В чому полягає принцип дiї вентильного фотоелемента? 3. Опишiть будову та принцип дiї селенового елемента. 4. Що зветься iнтегральною чутливiстю фотоелемента? 5. Як визначається iнтегральна чутливiсть фотоелемента в данiй роботi? 9.6.3. Лабораторна робота “Вивчення роботи оптичного квантового генератора” Мета роботи:вивчити будову та принцип дiї газового лазера, визначити основнi технiчнi характеристики лазера – довжину хвилi його випромiнювання та енергiю кванта. Прилади та обладнання:гелiй-неоновий газовий лазер, дифракцiйна решітка, екран, мiлiметрова лiнiйка. Питання для підготовки до лабораторної роботи 1. Рівноважна і інверсна заселеність енергетичних рівнів. 2. Індуковане випромінювання. 3. Лазери, принцип дії і застосування в медицині. ©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|