Лабораторне заняття № 3

Вивчення фотоелектрорушійної сили

1. Мета роботи.

Вивчення вентильного фотоефекту в р-п переході.

2. Теоретичні відомості.

Фотоелектрорушійна сила (фотоерс) являє собою різницю потенціалів, що виникає в р-n переході під дією опромінення електромагнітними хвилями.

Так званий р-n перехід виникає в перехідній області напівпровідника з різними типами провідності. На рис. 1. зліва від межі поділу розміщено область напівпровідника р- типу, а праворуч показано напівпровідник n- типу.

Виникнення р-n переходу:

Різниця концентрації однотипних вільних носіїв електричного заряду в n- і р- областях напівпровідника призводить до дифузії дірок з р- області в n- область і дифузії електронів у протилежному напрямку. Внаслідок цього на межі р- і n- області виникає контактна різниця потенціалів: електрони, що вийшли з n- області, залишають в цій області нескомпенсований позитивний заряд, а дірки, що вийшли з р- області неврівноважений негативний заряд. Дифузія змінює концентрацію носіїв до тих пір, доки не встановиться динамічна рівновага: потік носіїв внаслідок дифузії врівноважується потоком носіїв у зворотному напрямку під дією різниці потенціалів, що виникла на межі р-n переходу.

При опроміненні переходу в р- області виникають додаткові електронно-діркові пари. Вільні електрони з цих пар дифундують до р-n переходу і під дією контактного поля переводяться в n- область. Однак дірки подолати потенціальний бар’єр не в змозі і залишаються в р- області. Тому р- область заряджується позитивно, а n- область негативно, і в р-n переході виникає додаткова різниця потенціалів, її називають фотоелектрорушійною силою (фотоерс). Величина фотоерс визначається природою напівпровідникових матеріалів, що створюють р-n перехід, і залежить від світлового потоку.

Світловий потік Ф від точкового джерела визначається виразом:

, (1)

де j- сила світла джерела, r- відстань від джерела, σ- площа освітлюваної поверхні.

Отже, залежність величини фотоерс від світлового потоку можна вивчати, визначаючи її як функцію від величини 1/r₂

Явище виникнення фотоерс закладено в основу дії вентильного фотоелемента, в якому світлова енергія безпосередньо перетворюється в електричну.

Основною характеристикою вентильного фотоелемента є його світлова характеристика, тобто залежність величини фотоструму або напруги на його затискачах від величини світлового потоку в різних режимах роботи фотоелемента.

Вентильний фотоефект є одним з видів внутрішнього фотоефекту. Варто відрізняти внутрішній фотоефект від зовнішнього, який полягає у емітуванні електронів з поверхні речовини під дією світла.

3. Контрольні запитання.

1. Як і чому виникає внутрішня контактна різниця потенціалів?

2. Що являє собою р-n перехід?

3. Що називається фотоерс і як вона виникає?

4. Від чого залежить величина фотоерс?

5. Що закладено в основу конструкції вентильних фотоелементів?

6. Що називається світловою характеристикою вентильного фотоелемента?

7. В якому режимі знімається світлова характеристика в даній роботі?

8. Яким методом визначається величина фотоерс в даній роботі?

9. Який графік потрібно побудувати за результатами вимірювання в даній роботі?

4. Домашнє завдання.

Для виконання роботи необхідно вивчити наступні питання: внутрішня контактна різниця потенціалів для металів і напівпровідників; р-n перехід в напівпровідниках; внутрішній фотоефект; виникнення електрорушійної сили в р-n переході; вентильні фотоелементи; напівпровідникові фотодіоди.

5. Лабораторне завдання.

В даній роботі знімається світлова характеристика вентильного фотоелемента при роботі його в режимі фотоерс.

В цьому режимі опір навантаження, на яке працює фотоелемент, повинен бути нескінченно великим, отже електричний струм у зовнішньому колі повинен бути відсутній. Для здійснення такого режиму затискачі фотоелемента можуть бути незамкнутими.

Однак безпосереднє вимірювання фотоерс шляхом вмикання мілівольтметра привело б до виникнення струму в зовнішньому колі, тобто до порушення режиму фотоерс. Тому для вимірювання фотоерс застосовується компенсаційна схема, зображена на рис. 2. На оптичній лаві розміщені джерело світла Л та фотоелемент ФЕ. За допомогою потенціометра П підбирається напруга, рівна величині фотоерс і протилежна їй за знаком. Напруга вимірюється мікровольтметром μV. В даному випадку при замиканні ключа К струму в колі не буде, в цьому можна переконатись за допомогою гальванометра G. Баластний опір R_б призначено для обмеження сили струму в колі фотоелемента.

Якщо регулюванням напруги на потенціометрі П не можна звести до нуля покази гальванометра G, то це означає, що не забезпечено зустрічного вмикання фотоерс і компенсаційної напруги.

6. Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему відповідно рис. 2.

2. Розташувати джерело світла Л на найбільшій відстані від ФЕ і виміряти цю відстань.

3. Замкнути ключем К коло фотоелемента і, переміщуючи повзунок потенціометра П, встановити стрілку гальванометра на нульову поділку.

4. Визначити величину фотоерс в цьому випадку, вважаючи її рівною показам мілівольтметра.

5. Такі ж вимірювання здійснити для різних положень джерела світла відносно ФЕ.

6. Вирахувати для всіх вимірювань величину 1/r², вважаючи, що світловий потік прямо пропорційний до неї.

7. Результати вимірювань та обчислень занести до таблиці:

r, см

Е, мВ

1/r², см^-2

8. Побудувати графік залежності E=f(1/r²).

9. У висновках по роботі зазначити, який вигляд має світлова характеристика вентильного фотоелемента в режимі фотоерс.

7. Прилади та обладнання.

Джерело світла, фотоелемент, оптична лава, ключ, джерело електричної напруги, потенціометр, баластний опір, мілівольтметр, гальванометр.