I Zagdnienia teoretyczne

W normalnych warunkach elektron nie może opuścić metalu. Musi on pokonać potencjał jonizacyjny. Energię potrzebną do pokonania tego potencjału otrzymać musi z zewnątrz w postaci np.: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, energii świetlnej. Emisja pod wpływem światła nosi nazwę fotoemisji lub zjawiska fotoelektrycznego. Zjawisko fotoelektryczne dzielimy na zewnętrzne i wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. Uwolnione elektrony nazywamy fotoelektronami, związany z nimi prąd elektryczny- fotoprądem. Promieniowanie jest wiązką fotonów, każdy o energii

E=hν

Gdzie ν jest częśtością padającego promieniowania, h=6.62*10^-34Js- stała Plancka

Einstein zastosował do opisu zjawiska elektrycznego, zasade zachowania pędu

Hν=W+E_{k max}

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na zmianie właściwego przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem energii promieniowania świetlnego. Kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Kwanty światła padając na półprzewodnik np. german, zrywają wiązania atomowe łączące atomy i uwalniają elektrony tworzące to wiązanie. Uwolniony elektron może się poruszać swobodnie w krysztale. Miejsce po tym elektronie może zająć elektron z wiązania sąsiedniego. Wtedy brak elektronu, czyli tzw. dziura, przenosi się do wiązania sąsiedniego. Zatem zarówno fotoelektrony jak i dziury mogą poruszać się w ciele, a tym samym przewodzić prąd. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi tylko w cienkiej warstwie powierzchniowej, w której padające światło nie zostało jeszcze całkowicie zaabsorbowane(wchłonięte).

Fotoopornik jest to element półprzewodnikowy o zmiennej pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (zwykle optycznego) rezystancji(oporu). Zasada działania fotorezystora oparta jest na wewnętrznym zjawisku fotoelekrycznym (zjawisku fotoprzewodnictwa).

Światłoczułą część fotorezystora stanowi zwykle cienka warstwa półprzewodnika umieszczona na podłożu izolacyjnym razem z elektrodami metalowymi; w obudowie fotorezystora znajduje się otwór do przepuszczania promieniowania. Podstawowe parametry fotorezystora to: czułość widmowa, rezystancja ciemna i jasna, napięcie robocze i moc strat.

Fotometria jest to dział optyki zajmujący się pomiarem światła tak jak jest ono postrzegane przez ludzkie oko i tym różni się od radiometrii, która mierzy obiektywną wartość fal elektromagnetycznych. Fotometria jest zainteresowana wrażeniem jakie jest percypowane przez ludzkie oko na skutek stymulacji falą elektromagnetyczną. Punktem wyjścia fotometrii jest więc charakter oka jako wybiórczego detektora widma elektromagnetycznego.

Ludzkie oko nie jest równie wrażliwe na fale świetlne wszystkich długości. Fotometria stara się "wyprostować" tę niedogodność przez dobór wskaźników (jednostek), które są iloczynem obiektywnie zmierzonej wielkości światła danej długości, pewnej stałej oraz współczynnika czułości dla tej długości fali, który można odczytać z wykresu czułości spektralnej. Na wykresie widać, że oko inaczej zareaguje na światło o tym samym obiektywnym natężeniu, jeśli będzie się ono różnić długością fali.

IBD 17.04.2012r

LABORATORIUM Z FIZYKI

Ćwiczenie nr 40

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

Bartłomiej Pieniążek

LP-11

Obliczenia:

1) Wyliczam natężenie oświetlenia fotoopornika:

gdzie I to natężenie źródła światła równe 19[cd] a r odległość fotoopornika od źródła światła.

E = $\frac{19}{1^{2}}$ = 19[lx] - dla największej wartości „r”

E = $\frac{19}{{0,15}^{2}}$ = 844,4[lx] - dla najmniejszej wartości „r”

2)

3) Obliczam niepewności pomiarowe metodą typu B:

u(R) = $\frac{\text{Δr}}{\sqrt{3}}$ = $\frac{1}{\sqrt{3}}$ = 0,577 [mm]

u(i) = $\frac{\text{Δi}}{\sqrt{3}}$ = $\frac{7,5}{\sqrt{3}}$ = 2,5 [μA]

u(U) = $\frac{\text{ΔU}}{\sqrt{3}} = \ \frac{0,15}{\sqrt{3}}$ = 0,09[V]

4)

Parametry a,b obliczam, logarytmując obustronnie wzór:

Korzystając z definicji logarytmów obliczam:

Gdzie B jest miejscem przecięcia się prostej z osią OY.

„a” jest współczynnikiem zależnym od przyłożonego napięcia do fotoopornika.

„b” jest współczynnikiem zależnym od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszek.

Z programu Excel odczytuje obliczony współczynnik a, z podanych w nim równań prostych. Współczynnik b jest już w równaniu prostej i jest to współczynnik kierunkowy prostej.

Równanie dla 5[V]: log i = 25,03674E^0, 009508

Z powyższego równania wynika że b = 25,03674 (współczynnik zależny od rodzaju półprzewodnika).

Obliczam a:

0,009508 =loga

$\frac{1}{a}$ = 10^0, 009508

a = $\frac{1}{1,02213438883791}$ = 0,978344932838944

a = 0,98

Równanie dla 12[V]: log i = 33,10439log E^0, 009529

Z powyższego równania wynika że b = 33,10439 (współczynnik zależny od rodzaju półprzewodnika).

Obliczam a:

0,009529=loga

$\frac{1}{a}$ = 10^0, 009529

a = $\frac{1}{1,02218381461242}$ = 0,978297626811053

a = 0,98

Równanie dla 15[V]: log i = 43,24163

log E^0, 009475

Z powyższego równania wynika że b = 43,24163 (współczynnik zależny od rodzaju półprzewodnika).

Obliczam a:

0,009475=loga

$\frac{1}{a}$ = 10^0, 009475

a = $\frac{1}{1,0220567245922}$ = 0,978419275504497

a = 0,98

III 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. 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 i napięcia wpłynie także klasa przyrządów.