Ćwiczenie

Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego
od odległości
źródła światła od powierzchni fotoogniwa oraz prawa pochłaniania światła.

Wprowadzenie:

W fotoogniwach wykorzystane jest zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne , które polega na uwalnianiu elektronów walencyjnych z wiązań atomowych w kryształach półprzewodnikowych. Oswobodzone elektrony pozostają wewnątrz kryształu i mogą poruszać się w nim swobodnie . Miejsce po uwolnionym elektronie może zająć elektron z wiązania sąsiedniego . Wtedy brak elektronu w wiązaniu , czyli tzw. dziura , przenosi się do wiązania sąsiedniego . Zatem zarówno fotoelektrony jak i dziury mogą się przemieszczać w krysztale , a tym samym przewodzić prąd.

Efektem wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego jest więc zwiększone przewodnictwo elektryczne kryształu.

Elektrony walencyjne maję energię za3wartą jedynie w pewnym przedziale wartości energii zwanym pasmem walencyjnym. Podobnie elektrony przewodnictwa przyjmują wartości energii tylko z pasma przewodnictwa. W półprzewodniku pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne oddzielone są wzbronionym dla elektronów przedziałem energii zwanym pasmem wzbronionym. Szerokość przerwy
równa jest energii wiązania elektronów walencyjnych. Wartość
określa minimalną częstość światła
potrzebną do przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

Jeśli elektron i dziura znajduję się w tym samym miejscu w półprzewodniku wówczas elektron zajmie wolne miejsce w wiązaniu i obydwa nośniki prądu znikają. Jest to proces rekombinacji. Po pewnym czasie ustala się równowaga dynamiczna , w której dodatkowa liczba nośników zależy od liczby generowanych par elektron-dziur w jednostce czasu , czyli od natężenie oświetlenia . światło dociera tylko do warstw przypowierzchniowych półprzewodnika i aby zwiększyć wpływ oświetlenia , fotoczuły materiał powinien mieć jak najmniejszą grubość i jak największą powierzchnię .

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne w warstwach podwójnych , z których każda charakteryzuje się innym typem przewodnictwa, przejawia się w postaci efektu fotowalicznego. Polega on na tym , że oświetlone warstwy podwójne stają się źródłem prądu elektrycznego. Światłoczułe warstwy podwójne nazywamy fotoogniwami.

Fotoogniwa selenowe składa się z żelaznej płytki , która spełnia rolę elektrody , na niej jest cienka warstwa selenu , na której zaś zapylono przeźroczystą warstwę ołowiu , która stanowi drugą elektrodę .

Na złączu metal półprzewodnik wytwarza się bardzo cienka warstwa zaporowa nieruchomych ładunków dodatnich po stronie metalu i ładunków ujemnych po stronie półprzewodnika .Jest ona wynikiem dyfuzji elektronów z metalu do półprzewodnika , pod wpływem różnicy koncentracji nośników ładunków w metalach i półprzewodnikach.

Warstwa zaporowa uniemożliwia dalszy przepływ elektronów do półprzewodnika . Naświetlanie powierzchni złącza od strony przezroczystej warstwy ołowiu powoduje uwolnienie dodatkowych elektronów swobodnych w selenie , które pod wpływem różnicy potencjałów w warstwie zaporowej natychmiast przechodzą do napylonej warstwy ołowiu . W wyniku tego w obwodzie uzyskanym przez połączenie biegunów fotoogniwa popłynie prąd , którego natężenie
jest proporcjonalna do natężenia oświetlenia
powierzchni fotoogniwa.

Natężenie oświetlenia
równe jest mocy promieniowania padającego na jednostkę powierzchni . Zależność
można łatwo sprawdzić w przypadku punktowego źródła światła. Natężenie oświetlenia powierzchni , pochodzące od punktowego źródła światła , jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości
od źródła światła :

Światło przechodzące przez środowisko przezroczyste , światło ulega osłabieniu , głównie przez osłabianie . Zgodnie z prawem Lamberta natężenie światła przenikającego maleje wykładniczo wraz ze wzrostem grubości warstwy pochłaniającej :

Zależność tą można sprawdzić umieszczając na drodze światła szklane płytki o jednakowej grubości .

Wykonanie ćwiczenia:

Badanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego
od odległości
źródła światła od powierzchni fotoogniwa.

• Montuję fotoogniwo na koniku ławy optycznej i ustawiam je możliwie daleko od włókna żarówki . Podłączam fotoogniwo do amperomierza

• Włączam lampę w przesuwam fotoogniwo w kierunku żarówki w celu odpowiedniego ustalenia pomiarowego mikroamperomierza

• Wyłączam lampę I przesuwam fotoogniwo na odległość
  od początku żarówki żarówki.. Na miarce która znajduje się przy ławie optycznej odległość wynosi
  . Wynika to z tego , iż źródło światła nie znajdowało się dokładnie nad wartością zerową podziałki, lecz według moich obliczeń około
  od tej wartości .

• Włączam światło ( dbając o to by w pomieszczeniu w którym wykonuję to ćwiczenie było jak najmniej oświetlenia , gdyż każde potencjalne źródło światła wypaczało by wynik pomiaru) i odczytuję wskazanie mikroamperomierza :
  

• Przesuwam fotoogniwo wzdłuż ławy , za każdym razem o
  i zapisuję kolejne wartości wskazań mikroamperomierza oraz odległości
  od źródła światła .

• Obliczam dla każdej powierzonej wartości
  wartość
  

• sporządzam wykres
  

Sprawdzanie prawa pochłaniania światła w środowiskach półprzeźroczystych

• czynności które wykonuję są identyczne z tymi z ćwiczenia wyżej z tą różnicą ,iż przed każdym pomiarem pomiędzy źródło światła a fotoogniwo dokładam szklaną płytkę.

• Pierwszy pomiar wykonuję dla układu bez płytki i stopniowo dokładam płytek aż do momentu kiedy w statywie z ramką na płytki uzyskam ilość płytek równą
  .

• Oczywiście za każdym razem notuję wskazania mikroamperomierza po to by sporządzić wykres
  

Rachunek błędu :

Badanie zależności

Błąd względny
obliczamy metodą różniczki zupełnej

Po podstawieniu:

Dokładność
określam z klasy przyrządu

Wnioski:

Uzyskane przeze mnie wyniki dowodzą temu , iż wraz wzrostem odległości źródła światła od fotoogniwa maleją wskazania w mikroamperomierzu . Wskazuje to na to , iż w fotoogniwie przepływ prądu maleje wraz z odległością od źródła światła .

Dokładanie między fotoogniwo a źródło światła kolejnych płytek szklanych powodują to , iż do powierzchni fotoogniwa dopływało co raz mniej światła , a to zaś powodowało fakt , iż wskazania mikroamperomierza malały . Potwierdza to założenie przed ćwiczeniem , iż płytki szklane będą pochłaniać światło .

Uważam ,iż uzyskane przeze mnie rezultaty są w miarę dokładne ( były przeprowadzone w warunkach najlepszych jakie mogłem uzyskać). Sądzę ,że wyniki byłyby jeszcze bardziej wiarygodne gdyby w pracowni panowała kompletna ciemność, a jedynym źródłem światła byłaby moja lampa . W takiej sytuacji miał bym pewność , iż na powierzchnię fotoogniwa dociera tylko światło z mojej lampy a uzyskane wtedy wartości na mikroamperomierzu byłyby bardziej dokładne.

---