Fal Jacek 04.04.2006

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 40.

Temat: Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

1. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne jako wynik oddziaływania

promieniowania z materią.

Fotoelektryczne zjawiska, ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom.

Rozróżnia się fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne (emisja elektronów z danej substancji pod wpływem światła; opuszczające substancję na skutek zjawiska fotoelektrycznego elektrony nazywa się fotoelektronami, a powstały przy ich uporządkowanym ruchu w zewnętrznym polu elektrycznym prąd - prądem fotoelektrycznym), fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne (zmiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych i ciekłych półprzewodnikach i dielektrykach spowodowana oddziaływaniem światła z substancją; przejawia się ono w zmianie koncentracji nośników prądu w ośrodku i w efekcie doprowadza do fotoprzewodnictwa lub zjawiska fotoelektrycznego w warstwie zaporowej), fotoelektryczne zjawisko zaworowe (powstawanie SEM na styku dwóch materiałów pod wpływem światła, np. w złączu p-n), zjawisko fotoelektryczne w gazach (fotojonizacja).

Zjawiska fotoelektryczne wykorzystywane są w fotoelementach. Badania fotoelektrycznego zjawiska zewnętrznego, którego wyjaśnienie wymagało wysunięcia postulatu kwantowej natury światła (A. Einstein), miało doniosłe znaczenie dla rozwoju fizyki. Zgodnie z zaproponowanym wtedy modelem energia padającego kwantu gamma (równa hν, gdzie h - stała Plancka, ν - częstotliwość fali świetlnej) jest przekazywana elektronowi zgodnie z równaniem hν = E+W, gdzie E - energia kinetyczna elektronu, W - tzw. praca wyjścia (energia potrzebna do wydostania się elektronu z substancji).

2. Prawa zjawiska fotoelektrycznego.

W wyniku długotrwałych badań ustalono następujące prawidłowości rządzące tym zjawiskiem:

a) elektrony pojawiają się natychmiast po naświetleniu metalu;

b) gęstość prądu fotoelektrycznego, czyli liczba emitowanych fotoelektronów jest proporcjonalna do oświetlenia;

c) energia fotoelektronów nie zależ od natężenia światła;

d) energia najszybszych fotoelektronów jest proporcjonalna do częstości drgań fali świetlnej.

3. Budowa i zasada działania fotooporu i fotoogniwa.

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 do

metalu, ładując go ujemnie. Na drugim złączu zjawisko to nie występuje, ponieważ światło nie przenika przez warstwę CuO.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Połączyć obwód według schematu:

2. Ustawić źródło światła w odległości około 0,2 m od fotooporu FR, sprawdzić czy

fotoopór reaguje na oświetlenie.

Przy stałej wartości napięcia zasilającego przeprowadzić pomiar zależności

natężenia prądu od odległości fotooporu od źródła światła: ( )rII = . W tym celu

zmieniać połoSenie fotooporu od około m150, od źródła światła, aż do takiego

połoSenia, przy którym ćwiczący nie zaobserwuje przepływu prądu w obwodzie

( 0=I ).

Tabela pomiarowa.

U [ V ]	r [ m ]	I [ A ]	ΔU [ V ]	ΔI [A ]	Δr [ m ]
4,3	0,20	0,000440	0,04	0,000004	0,001
		0,25				0,000220
		0,30				0,000140
		0,35				0,000090
		0,40				0,000060
		0,45				0,000040
		0,50				0,000030
		0,55				0,000020
		0,60				0,000020
		0,65				0,000020
		0,70				0,000010
		0,75				0,000010
		0,80				0,000010
		0,85				0,000010
		0,90				0,000010
		0,95				0

Obliczenia:

Błędy poszczególnych pomiarów policzymy z klasy przyrządów zakresu przyrządów pomiarowych.

Wnioski:

Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić iż doświadczenie zostało wykonane poprawnie. Błędy widoczne na wykresie są skutkiem niedokładności przyrządów pomiarowych ewentualnych błędów popełnionych przez przeprowadzających doświadczenie.

---