Piotr Węgrzynek 05.03.2004

I BD - lp. 14

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 40

Temat: Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

I Zagadnienia do samodzielnego opracowania:

1. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne jako wynik oddziaływania promieniowania z materią.

2. Prawa zjawiska fotoelektrycznego.

3. Budowa i zasada działania fotooporu i fotoogniwa.

II Wprowadzenie

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne znalazło praktyczne zastosowanie w fotoopornikach i fotoogniwach. Fotoopornik składa się z długiej i cienkiej taśmy półprzewodnika ułożonej jak na rys. 1.

W momencie oświetlenia opór fotoopornika maleje, gdyż wzrasta liczba nośników odpowiedzialnych za przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi jedynie w cienkiej warstwie powierzchniowej, stąd fotoopór zbudowany jest z cienkiej i długiej taśmy półprzewodnika. Przed uszkodzeniami mechanicznymi taśma jest chroniona warstwą szkła organicznego.

Inne efekty wywołuje zjawisko fotoelektryczne na złączach metal-półprzewodnik. Wiązka światła padająca na styk zakłóca stan równowagi dynamicznej warstwy podwójnej. Kwanty światła przekazują swoją energię elektronom. W półprzewodniku przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Zatem w półprzewodniku wzrasta ilość swobodnych elektronów, które w warunkach istniejącej równowagi dynamicznej przechodzą natychmiast do metalu, ładując go ujemnie. Oświetlone złącze staje się źródłem prądu i jest nazwane fotoogniwem. Na rys. 2 pokazano budowę fotoogniwa miedziowego.

Na miedzianym podłożu znajduje się warstwa tlenku miedzi CuO, który jest półprzewodnikiem typu p. Na powierzchni tlenku znajduje się cienka przeźroczysta warstwa metalu: srebra lub miedzi. Na górnym złączu CuO-metal światło przenosi pewną ilość elektronów do pasma przewodnictwa, które natychmiast przechodzą d metalu, ładując go ujemnie. Na drugim złączu zjawisko to nie występuje, ponieważ światło nie przenika przez warstwę CuO.

III Wykonanie ćwiczenia:

1. Połączyć układ według schematu:

2. Ustawić źródło światła w odległości ok. 0.2 m od fotooporu, sprawdzić czy fotoopór reaguje na oświetlenie.

3. Przy stałej wartości napięcia zasilającego ustalonego przez nas na poziomie 90V przeprowadziliśmy pomiar zależności natężenia prądu od odległości fotooporu od źródła światła I = f ( r ) . W tym celu zmienialiśmy położenie fotooporu w zakresie od 1m do 0.2m notując jednocześnie natężenie prądu dla wybranych punktów pomiarowych.

4. Oszacować błędy pomiarów Δr oraz ΔI.

5. Wykonać na papierze milimetrowym wykres zależności prądu od kwadratu odwrotności odległości źródła światła od fotooporu I = ( 1 / r² ).Na wykresie zaznaczono błędy ΔI oraz Δ( 1 / r² )

IV Obliczenia

tabela pomiarowa

Lp.	U	r	I	ΔU	ΔI	1/r^2	Δ(1/r^2)
	[ V ]	[ m ]	[mA ]	[ V ]	[mA ]	[m]	[m]
	22	0,2	2,25	0,15	0,015	25	0,25
	22	0,21	2,05	0,15	0,015	22,7	0,216
	22	0,22	1,8	0,15	0,015	20,6	0,188
	22	0,25	1,25	0,15	0,015	16	0,128
	22	0,27	1,1	0,15	0,015	13,7	0,102
	22	0,32	0,65	0,15	0,015	9,7	0,061
	22	0,35	0,48	0,15	0,015	8,1	0,047
	22	0,4	0.34	0,15	0,015	6,25	0,031
	22	0,45	0,24	0,15	0,015	4,9	0,022
	22	0,5	0,18	0,15	0,015	4	0,016
	22	0,55	0,17	0,15	0,015	3,3	0,012
	22	0,6	0,1	0,15	0,015	2,7	0,009
	22	0,65	0,08	0,15	0,015	2,4	0,007
	22	0,7	0,06	0,15	0,015	2	0,0058
	22	0,75	0,05	0,15	0,015	1,7	0,0047
	22	0,8	0,04	0,15	0,015	1,6	0,0039
	22	0,85	0,03	0,15	0,015	1,3	0,0032
	22	0,9	0,025	0,15	0,015	1,2	0,0027
	22	0,95	0,02	0,15	0,015	1,1	0,0023

Błędy mierników:

bezwzględny:

gdzie k - klasa dokładności miernika

ZP - zakres pomiarowy miernika

Błąd pomiaru napięcia :ΔU = 0,5/100 . 30 = 0,15[ V ]

Błąd pomiaru prądu ΔI = 0,5/100 3 = 0,015[ mA ]

Błąd pomiaru odległości Δr oraz Δ(1/r²) dla trzech wybranych punktów pomiarowych :

Δr = 0.001m

1.
=0,25[1/m²]

2.Δ(1/r²)=0,216[1/m²]

3.Δ(1/r²)=0,188[1/m²]

4.Δ(1/r²)=0,128[1/m²]

5.Δ(1/r²)=0,102 [1/m²]

6.Δ(1/r²)=0,061 [1/m²]

7.Δ(1/r²)=0,047[1/m²]

8.Δ(1/r²)=0,031[1/m²]

9.Δ(1/r²)=0,022[1/m²]

10.Δ(1/r²)=0,016[1/m²]

11.Δ(1/r²)=0,012[1/m²]

12.Δ(1/r²)=0,009[1/m²]

13.Δ(1/r²)=0,007[1/m²]

14.Δ(1/r²)=0,0058[1/m²]

15.Δ(1/r²)=0,0047[1/m²]

16.Δ(1/r²)=0,0039[1/m²]

17.Δ(1/r²)=0,0032[1/m²]

18.Δ(1/r²)=0,0027[1/m²]

19.Δ(1/r²)=0,0023[1/m²]

Wnioski :

Prąd przepływający przez fotorezystor jest ściśle powiązany z odległością źródła światła oświetlającego go. Na błąd pomiary prądu płynącego w obwodzie fotorezystora mają wpływ wachania natężenia światła w zależności od odległości źródła światła od fotorezystora. Błędy te powodują, że wykres zależności natężenia fotoprądu od odległości nie będzie zgodny z krzywą teoretyczną tj. I = (const/r²). Bardzo ważną rzeczą jest przy pomiarach fotoprądu dobre ustawienie źródła światła, wiązka padająca powinna maksymalnie oświetlać fotoopór przy maksymalnej odległości. Obok wymienionych, na błędy pomiarów natężenia prądu ΔI, napięcia ΔU wpłynie także klasa przyrządów.

światło

FR

mA

V

dzielnik

napięcia

Zasilacz

220V

---