Wstęp teoretyczny

Fotometria:

Światło jest formą energii, można więc mówić o ilości światła wysyłanej przez źródło.

Całkowitą ilość światła wysyłaną przez źródło we wszystkich kierunkach w ciągu 1 sekundy nazywamy strumieniem świetlnym. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen; jest to strumień swietlny punktowego źródła światła o natężeniu 1 kandeli w obrębie kąta bryłowego 1 steradiana.

Oświetleniem powierzchni nazywamy wielkość

,

gdzie ds. jest elementem powierzchni prostopadłym do strumienia świetlnego. Jednostką oświetlanie jest luks; jest to oświetlenie powodowane przez strumień 1 lumena padający prostopadle na powierzchnię 1m2.

W przypadku gdy mamy do czynienia ze strumieniem o dowolnej gęstości, zależność między natężeniem i oświetleniem ma postać

( prawo Lamberta).

Stanowi to treść tzw. "prawa odwróconych kwadratów". Podkreślić należy, że prawo Lamberta jest słuszne tylko w odniesieniu do źródeł światła o niewielkich wymiarach, które w praktyce dość trudno zrealizować.

Wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne w półprzewodnikach:

W półprzewodnikach przerwa energetyczna pomiędzy pasmem podstawowym a pasmem przewodnictwa jest znacznie węższa niż w dielektrykach, osiągając co najwyżej wartość 1eV z niewielkim ułamkiem. Toteż w półprzewodnikach już ruch cieplny elektronów powoduje przerzucanie niewielkiej ich liczby, zależnej od temperatury, do pasma przewodnictwa, dzieki czemu pojawia się zależne od temperatury niewielkie przewodnictwo właściwe półprzewodników.

Naświetlenie półprzewodnika powoduje jako efekt pierwotny pojawienie się dodatkowych elektronów w pasmie przewodnictwa, a więc wzrost przewodnictwa półprzewodnika. Równocześnie w pasmie podstawowym pojawiają się dziury, zachowujące się jak nośniki naboju dodatniego.

Fotoogniwo:

Fotoogniwem nazywamy złącze półprzewodnik-metal. Typowym ogniwem zaporowym jest fotoogniwo miedziowe, w którym półprzewodnikiem jest tlenek miedziowy, wykazujący przewodnictwo dziurowe. Na styku Cu2O z metalem, w którym nie ma nośników prądu typu dziur, następuje dyfuzja dziur od Cu2O do metalu, oraz dyfuzja elektronów do Cu2O. W rezultacie metal ładuje się dodatnio w stosunku do Cu2O i wytwarza się pewien stan równowagi, kiedy dyfuzja dziur do metalu i elektronów do Cu2O zostaje zahamowana przez barierę potencjału. Jeśli naświetlimy fotoogniwo, wówczas, skutkiem wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, w Cu2O pojawiają się dodatkowe elektorny, przez co naruszona zostaje równowaga dyfuzyjna. Elektorny te mogą bez przeszkód wędrować przez barierę potencjału do metalu, gdyż bariera ta hamuje tylko przepływ dziur do metalu, nie mogą jednak równie łątwo wrócić z metalu do Cu2O, gdyż wówczas hamuje je bariera potencjału. Dzięki temu metal uzyskuje potencjał ujemny w stosunku do Cu2O, jeśli zaś wytworzymy obwód zamknięty, w obwodzie tym pojawia się na styku metal - Cu2O siła elektromotoryczna, powodująca przepływ prądu. Jest to prąd nośników mniejszościowych, w tym przypadku elektronów, a jego natężenie jest propocjonalne do strumienia elektrycznego.

Fotoopór:

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

Budowa fotooporu i technologia jego wytwarzania są dość proste. Na płytkę szklaną nanosi się warstewkę metalu - złota, srebra lub platyny. W warstwie metalicznej wycina się szczeliny dla rozdzielenia jej na dwie, elektrycznie odizolowane elektrody. Następnie na tak przygotowane elektrody nanosi się półprzezroczystą warstewką półprzewodnika o grubości nie większej niż średnia głębokość przenikania światła. Dla ochrony od zewnętrznych uszkodzeń fotoopór pokrya się warstewką przezroczytej substancji ochronnej i następnie całość umiescza się w banieczce szkalnej, zaiopatrzonej w końcówki łączące się z elektrodami.

Zasada dzialłanie fotooporu jest oparta na powastawaniu dodatkowej liczby nośników ładunku w wyniku pochłaniania energii promienistej. Przejawia się to zwiększeniem przewodnictwa półprzewodnika.

Fotodioda:

Fotodiodę stanowi półprzewodnikowa dioda o jednym przejściu p-n uformowana tak, że płaszczyzna kontaktu obu półprzewodników może być naświetlona strumieniem świetlnym. Naświetlenie złącza p-n powoduje wyzwalanie w obszarach przygranicznych dodatkowych nośników naboju, dziur i elektronów. W warstewce n elektrony są odpychane od złącza dzięki różnicy potencjałów warstwy zaporowej i dołączają do nośników zasadniczych, czyli większościwoych tej warstewki, do elektronów. W warstewce p dziury są odpychane od złącza. W strefie przygranicznej gromadzą się nośniki mniejszościowe, niezasadnicze; po stronie n - dziury, po stronie p - elektrony. Naświetlenie złącza p-n powoduje zwiększenie prądu zaporowego.

Mirosław Rejfur, II rok fizyki styczeń 3, 2001

69

BADANIE WEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

r [cm]	Iw [A]	I [A]	r2[cm2]		I [A]
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 36 38 40 43 46 50 55 60 70 80 90 100	192.75 167.50 144.70 127.75 112.20 99.90 89.60 81.65 73.95 67.80 63.35 57.55 54.90 50.90 47.65 45.00 42.95 40.95 38.95 37.00 35.00 32.35 30.50 28.45 23.70 21.50 19.55 18.00 16.10 14.00 12.80 11.70 11.00	0.75 0.50 1.50 0.25 0.50 0.50 0.30 0.35 0.25 0.20 0.35 0.15 0.50 0.40 0.25 0.20 0.15 0.15 0.35 0.10 0.20 0.25 0.40 0.35 0.10 0.10 0.25 0.10 0.10 0.10 0.10 0.20 0.20	196 225 256 289 324 361 400 441 484 529 576 625 676 729 784 841 900 961 1024 1089 1156 1296 1444 1600 1849 2116 2500 3025 3600 4900 6400 8100 10000	51.02 44.44 39.06 34.60 30.86 27.7 25 22.67 20.66 18.90 17.36 16 14.79 13.72 12.75 11.89 11.11 10.41 9.76 9.182 8.65 7.716 6.925 6.25 5.408 4.725 4 3.305 2.777 2.04 1.562 1.234 1	2.3 2 1.7 1.5 1.3 1.15 1.01 0.91 0.81 0.74 0.68 0.61 0.58 0.53 0.49 0.45 0.43 0.40 0.38 0.35 0.33 0.29 0.27 0.25 0.19 0.16 0.13 0.12 0.09 0.07 0.05 0.04 0.03

Io = 8.5 A - wskazanie miernika przy wyłączonym oświetlaczu

---