ĆWICZENIE NR 60

„I” PRACOWNIA FIZYCZNA U.Ś.
Nr ćwiczenia: 60	Temat: Wyznaczanie charakterystyk fotoelementów
Imię i Nazwisko: Piotr Konowalczyk
Rok studiów: I	Kierunek: Informatyka
Grupa: II / 14:00	Data wykonania ćwiczenia:
Ocena: .......................................

Fotooporem (fotorezystorem) nazywa się półprzewodnik, którego opór zmienia się pod wpływem strumienia świetlnego. Substancjami służącymi do sporządzania fotooporów są związki siarczku kadmu, bizmutu i inne, które wykazują własności półprzewodników.

W półprzewodnikach czystych (bez pierwiastków domieszkowych) nośnikami prądu są:

1. swobodne elektrony, albo inaczej elektrony przewodnictwa, które oderwały się od wiązania walencyjnego atomów sieci przestrzennej,

2. tzw. „dziury”, czyli puste miejsca w wiązaniach walencyjnych, powstałe po oswobodzonych elektronach.

Elektrony przenoszą nabój ujemny, a dziury nabój dodatni. Ruch elektronów i dziur pod wpływem pola elektrycznego odbywa się w kierunkach przeciwnych, a natężenie płynącego prądu zgodnie z równaniem :

I=nSe(v⁺+v^-),

gdzie: n - liczba swobodnych elektronów w 1 cm³,

S - przekrój poprzeczny przewodnika,

e - nabój elektronu równy nabojowi dziury,

v⁺ i v^- - odpowiednio prędkość dziur i elektronów w sieci przestrzennej półprzewodnika.

Zarówno v⁺, jak i v^- zależą od natężenia przyłożonego pola E, przy czym istnieje proporcjonalna zależność między tymi wielkościami:

v⁺=k₁E, v^-=k₂E,

gdzie: k₁ i k₂ to tzw. ruchliwość obu rodzajów nośników, liczbowo równa prędkości nośników przy jednostkowej wartości natężenia pola E, tj. przy różnicy potencjałów 1 wolt na 1 cm.

Gdy światło pada na powierzchnię półprzewodnika i wnika w jego głąb, wówczas jego energia fotonów jest przekazywana elektronom walencyjnym, które dzięki temu odrywają się od atomów i powiększają liczbę elektronów swobodnych o pewną liczbę Δn (w 1 cm³), proporcjonalną do padającego strumienia świetlnego Φ. O tyle samo zwiększa się ilość dziur. W związku z tym daje się zauważyć zwiększenie natężenia prądu o pewien dodatkowy przyrost ΔI=Δn Se(v⁺+v^-) w stosunku do natężenia prądu I_c, płynącego w przewodniku bez naświetlenia. Prąd ten nazywamy prądem „ciemnym”. W czasie naświetlenia płynie prąd tzw. „jasny” -I_j:

I_j=I_c+ΔI.

Badanie właściwości elektrycznych fotooporu jest oparta na powstawaniu dodatkowej liczby nośników ładunku w wyniku pochłaniania energii świetlnej. Przejawia się to zwiększeniem przewodnictwa półprzewodnika. Fotorezystor łączymy do obwodu zgodnie ze schematem:

Zmieniając napięcie źródła U od zera wzwyż stwierdzić można liniowy wzrost natężenia prądu fotooporu I_f.

Fotodioda - fotodiodę stanowi półprzewodnikowa dioda o jednym przejściu p-n uformowana tak, że płaszczyzna kontaktu obu półprzewodników może być naświetlona strumieniem świetlnym Φ. Naświetlenie złącza p-n fotodiody powoduje zwiększenie prądu zaporowego. Strumień świetlny padający na złącze powiększył liczbę nośników mniejszościowych w strefie przygranicznej złącza. Całkowity prąd mniejszościowy I_co płynący przez złącze jest sumą:

I_co=I_o+I₀^'=I₀+kΦ,

gdzie: k=(I_co-I_o)/Φ oznacza całkowitą czułość diody.

Ważne jest, że przy napięciu U=0 istnieje prąd I_p-n≠0. Naświetlone złącze jest więc źródłem samodzielnej siły elektromotorycznej E_p-n.

Jeśli do fotodiody podłączymynapięcie o kierunku zaporowym, to prąd płynący przez złącze p-n

I_f=I₀+kΦ

będzie proporcjonalny do strumienia świetlnego. Charakterystyka świetlna fotodiody będzie na wykresie linią prostą.

Fotodiodę należy podłączyć w/g schematu jak powyżej.

1.) Zgodnie z pomiarami dla fotorezystora zależność liniową widać na wykresie dla napięć od 1 wolt do 10 wolt. Wzrost natężenia prądu jest także bardzo mocno uzależniony od odległości źródła światła (natężenia światła) od rezystora. Wzrost ten jest nieliniowy.

2.) „Pofalowania” na wykresie dla fototranzystora wynikają z konieczności częstych zmian miernika prądu. Już dla 8 wolt należało zaniechać dalszych badań ze względu na to, że wzrost natężenia prądu dla małych odległości był tak duży, że wykraczał poza dopuszczalną skalę. Mimo to wyraźnie widać silny wzrost natężenia prądu dla małych odległości pomiędzy źródłem światła a fototranzystorem. Dla stałej odległości a zmieniającego się napięcia charakterystyka zbliżona jest do charakterystyki liniowej.

3.) Z pomiarów wynika, że fotodioda jest rzeczywiście źródłem siły elektromotorycznej, dzięki zjawisku rezystancji ujemnej. Im mniejsza odległość źródła światła od fotodiody tym większy prąd jest wytwarzany.

---