Rok akademicki 1996/97 |
Laboratorium z fizyki |
|||
Nr ćwiczenia: 47 |
Charakterystyka fotoogniwa |
|||
Wydział: Elektronika Kierunek: El. i telek. Grupa: II |
DANIEL KOT
|
|||
Data wykonania 19.12.1996rok |
Ocena |
Data zaliczenia |
Podpis |
|
|
T |
|
|
|
|
S |
|
|
|
1. Zasada pomiaru
Fotoogniwa zaliczamy do urządzeń,w których realizowane jest bezpośrednie przekształcenie energii promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną. Fotoogniwa stanowią układy złożone z półprzewodników o odmiennym charakterze ich przewodnictwa elektrycznego lub półprzewodnika (typu p) i metalu.
W przypadku oświetlenia półprzewodnika typu p powstają pary elektron-dziura. W przypadku, kiedy odległość od miejsca powstania par do złącza p-n stanowi wielkość mniejszą od długości przesunięcia dyfuzyjnego, to pary te w wyniku dyfuzji dochodzą do złącza, gdzie rozdzielają się pod wpływem pola stykowego. Fotoelektrony (dla nich nie istnieje bariera potencjału) zostają przeniesione przez pole stykowe do półprzewodnika typu n, powodując nadmiarową w porównaniu do równowagowej koncentrację elektronów i ładują tę część półprzewodnika ujemnie.
Powstałe w wyniku oświetlenia dziury nie mogą przenikać w obszar typu n półprzewodnika, ponieważ musiałyby pokonać barierę potencjału złącza p-n. Zablokowane w ten sposób dziury ładują obszar typu p półprzewodnika dodatnio.
Wynika z tego, że rozdzielenie ładunków doprowadza do pojawienia się dodatkowej składowej pola elektrycznego, a zatem do powstania na złączu dodatkowej różnicy potencjałów, będącej dla zewnętrznego układu siłą elektromotoryczną. Powstała w ten sposób foto-SEM jest przyłożona w kierunku przewodzenia, co powoduje, że wysokość bariery potencjalnej odpowiednio zmniejsza się. Wielkość foto-SEM zależna jest od wartości strumienia świetlnego, padającego na fotoelement.
Ogólny wzór na foto-SEM ma postać:
Przy czym: jt = eγBE; γ -ta część par które nie uległy rekombinacji i dotarły do złącza p-n; B - wydajność kwantowa, tzn. liczba par nośników wytworzonych przez jeden kwant; js - gęstość prądu w obwodzie , którego SEM jest wtworzona przez fotoogniwo.
W przypadku gdy j=0 i to wzór przyjmuje postać
Natomiast przy małym stopniu wzbudzenia wzór uprości się do postaci:
2. Schemat układu pomiarowego
E
3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów
Do pomiarów użyto:
a) opornik ΔR =0.1 [kΩ]
b) miliamperomierz ΔI = 0.1 [μA]
c) podziałka do pomiaru odległości Δr = 0.005 [m]
d) miliwoltomierz ΔU = 1 [mV]
4. Tabele pomiarowe
Tabela nr 1
Ucz [V] |
Uz [V] |
Un [V] |
r [m] |
|
Δ |
0.278 |
0.288 |
0.168 |
0.20 |
25.00 |
1.25 |
0.268 |
0.278 |
0.155 |
0.22 |
20.66 |
0.94 |
0.258 |
0.266 |
0.143 |
0.24 |
17.36 |
0.72 |
0.247 |
0.255 |
0.134 |
0.26 |
14.79 |
0.57 |
0.237 |
0.245 |
0.125 |
0.28 |
12.76 |
0.46 |
0.227 |
0.234 |
0.116 |
0.30 |
11.11 |
0.37 |
0.218 |
0.224 |
0.110 |
0.32 |
9.77 |
0.31 |
0.210 |
0.215 |
0.103 |
0.34 |
8.65 |
0.25 |
0.203 |
0.206 |
0.098 |
0.36 |
7.72 |
0.21 |
0.193 |
0.197 |
0.091 |
0.38 |
6.92 |
0.18 |
0.186 |
0.190 |
0.086 |
0.40 |
6.25 |
0.16 |
Tabela nr 2.
P = U * I [μW] |
I [μA] |
U [V] |
Rabc [kΩ] |
0.69 |
2.6 |
0.269 |
100 |
0.78 |
2.9 |
0.270 |
90 |
0.89 |
3.3 |
0.271 |
80 |
1.02 |
3.8 |
0.270 |
70 |
1.18 |
4.4 |
0.268 |
60 |
1.37 |
5.2 |
0.264 |
50 |
1.64 |
6.3 |
0.261 |
40 |
2.09 |
8.2 |
0.255 |
30 |
2.83 |
11.6 |
0.244 |
20 |
4.21 |
19.6 |
0.215 |
10 |
4.49 |
21.2 |
0.212 |
9 |
4.67 |
22.8 |
0.205 |
8 |
4.87 |
24.7 |
0.197 |
7 |
4.93 |
26.8 |
0.184 |
6 |
4.96 |
28.8 |
0.172 |
5 |
5.14 |
32.1 |
0.160 |
4 |
4.82 |
34.7 |
0.139 |
3 |
4.42 |
38.4 |
0.115 |
2 |
3.63 |
42.7 |
0.085 |
1 |
2.21 |
47.1 |
0.047 |
0 |
5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej
Dla danych z tabeli nr 1 pozycja 1
Dla danych z tabeli nr 2 pozycja 1
P = U*I - wzór z tabeli nr 2 użyto dla pozycji 1
P = 0.269*2.6*10-6 = 0.69 μW
6. Rachunek błędów
Błąd natężenia światła obliczono metodą różniczki logarytmicznej:
Dla danych zawartych w tabeli nr 1
Błąd maksymalny mocy fotoogniwa obliczono za pomocą różniczki logarytmicznej
P = U * I
ln P = lnU * lnI
Dane z tabel nr 2.
7. Zestawienie wyników pomiarów
Doświadczenie I
Ucz [V] |
Uz [V] |
Un [V] |
r [m] |
|
0.278 ± 0.001 |
0.288 ± 0.001 |
0.168 ± 0.001 |
0.20 ± 0.005 |
25.00 ± 1.25 |
0.268 ± 0.001 |
0.278 ± 0.001 |
0.155 ± 0.001 |
0.22 ± 0.005 |
20.66 ± 0.94 |
0.258 ± 0.001 |
0.266 ± 0.001 |
0.143 ± 0.001 |
0.24 ± 0.005 |
17.36 ± 0.72 |
0.247 ± 0.001 |
0.255 ± 0.001 |
0.134 ± 0.001 |
0.26 ± 0.005 |
14.79 ± 0.57 |
0.237 ± 0.001 |
0.245 ± 0.001 |
0.125 ± 0.001 |
0.28 ± 0.005 |
12.76 ± 0.46 |
0.227 ± 0.001 |
0.234 ± 0.001 |
0.116 ± 0.001 |
0.30 ± 0.005 |
11.11 ± 0.37 |
0.218 ± 0.001 |
0.224 ± 0.001 |
0.110 ± 0.001 |
0.32 ± 0.005 |
9.77 ± 0.31 |
0.210 ± 0.001 |
0.215 ± 0.001 |
0.103 ± 0.001 |
0.34 ± 0.005 |
8.65 ± 0.25 |
0.203 ± 0.001 |
0.206 ± 0.001 |
0.098 ± 0.001 |
0.36 ± 0.005 |
7.72 ± 0.21 |
0.193 ± 0.001 |
0.197 ± 0.001 |
0.091 ± 0.001 |
0.38 ± 0.005 |
6.92 ± 0.18 |
0.186 ± 0.001 |
0.190 ± 0.001 |
0.086 ± 0.001 |
0.40 ± 0.005 |
6.25 ± 0.16 |
Doświadczenie II
I [μA] |
U [V] |
P = U * I [μW] |
2.6 ± 0.1 |
0.27 ± 0.001 |
0.7 ± 0.03 |
2.9 ± 0.1 |
0.27 ± 0.001 |
0.8 ± 0.03 |
3.3 ± 0.1 |
0.27 ± 0.001 |
0.9 ± 0.03 |
3.8 ± 0.1 |
0.27 ± 0.001 |
1 ± 0.03 |
4.4 ± 0.1 |
0.27 ± 0.001 |
1.2 ± 0.03 |
5.2 ± 0.1 |
0.26 ± 0.001 |
1.3 ± 0.03 |
6.3 ± 0.1 |
0.26 ± 0.001 |
1.6 ± 0.03 |
8.2 ± 0.1 |
0.25 ± 0.001 |
2.1 ± 0.03 |
11.6 ± 0.1 |
0.24 ± 0.001 |
2.8 ± 0.04 |
19.6 ± 0.1 |
0.22 ± 0.001 |
4.2 ± 0.04 |
21.2 ± 0.1 |
0.21 ± 0001 |
4.5 ± 0.04 |
22.8 ± 0.1 |
0.20 ± 0.001 |
4.7 ± 0.04 |
24.7 ± 0.1 |
0.20 ± 0.001 |
4.9 ± 0.04 |
26.8 ± 0.1 |
0.18 ± 0.001 |
4.9 ± 0.05 |
28.8 ± 0.1 |
0.17 ± 0.001 |
5 ± 0.05 |
32.1 ± 0.1 |
0.16 ± 0.001 |
5.1 ± 0.05 |
34.7 ± 0.1 |
0.14 ± 0.001 |
4.8 ± 0.05 |
38.4 ± 0.1 |
0.12 ± 0.001 |
4.4 ± 0.05 |
42.7 ± 0.1 |
0.09 ± 0.001 |
3.6 ± 0.05 |
47.1 ± 0.1 |
0.05 ± 0.001 |
2.2 ± 0.05 |
8. Uwagi i wnioski
Podczas wykonywania ćwiczenia zaobserwowano, że wraz ze zmniejszaniem się odległości r tzn. źródła światła i elementu fotoelektrycznego (fotoogniwa) wzrasta napięcie prądu samoindukcyjnego w fotoogniwie.