TEORIA

W odosobnionym atomie elektrony mogą znajdować się w ściśle określonych stanach energetycznych, a przyjmowanie określonych stanów może odbywać się w sposób dyskretny. W ciele stałym, na skutek wzajemnej bliskości położenia atomów w sieci krystalicznej i ich wzajemnego oddziaływania, elektrony nie mają możliwości wykonywania niezakłóconego ruch wokół jądra. W następstwie tego oddziaływania dozwolone poziomy energetyczne (które dla orbit w różnych odosobnionych atomach mogły być jednakowe) ulegają w ciele stałym przesunięciu. Jest to jednoznaczne z rozszczepieniem rozłożonych w sposób dyskretny poziomów poszczególnych atomów. Poprzesuwane poziomy tworzą pasma energetyczne, a elektrony znajdujące się na określonej orbicie mogą teraz przyjmować każdą wartość energii mieszczącej się wewnątrz pasma. Pasma takie nazywa się pasmami dozwolonymi. Występuje przy tym ograniczenie polegające na tym, że pojedyncze poziomy w paśmie mogą być obsadzone przez co najwyżej dwa elektrony. Istnieją także wartości energii, których nie może przyjmować żaden elektron. Te poziomy energetyczne, leżące między pasmami dozwolonymi, tworzą pasmo zabronione. Najwyższą energię mają elektrony walencyjne. Pasmo odpowiadające temu stanowi energetycznemu nosi nazwę pasma walencyjnego lub podstawowego i jest najniżej położonym pasmem energetycznym. Powyżej tego pasma jest usytuowane pasmo przewodnictwa, znajdują się w nim elektrony swobodne wyrwane z sieci krystalicznej. Odstęp między tymi pasmami nosi nazwę pasma zabronionego lub przerwy zabronionej). Usytuowanie pasm energetycznych różnych materiałach przedstawia rysunek.

W przewodnikach np. metalach, pasmo przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie, w izolatorach szerokość pasma zabronionego jest duża i wynosi około 10 eV, natomiast w półprzewodnikach jest ona mniejsza od 2 eV.

Wyróżniamy dwa rodzaje półprzewodników: samoistne i domieszkowane. Do budowy fotoelementów wykorzystuje się półprzewodniki domieszkowane. Są to półprzewodniku których sieć krystaliczna została zmieniona poprzez domieszkowanie, to znaczy zastąpienie atomem innego pierwiastka, atomu pierwiastka podstawowego w węzłach sieci. Jeśli na skutek nieregularności sieci krystalicznej w półprzewodniku będą przeważać nośniki typu dziurowego, to półprzewodnik taki jest nazywany półprzewodnikiem typu p, a atomy domieszki nazywane są akceptorami. W przypadku gdy przeważają nośniki elektronowe, jest on nazywany półprzewodnikiem typu n, a atomy domieszki nazywamy donorami.

Fotorezystorem nazywamy półprzewodnik, którego opór zmienia się pod wpływem strumienia świetlnego. Gdy światło pada na powierzchnię półprzewodnika i wnika w jego głąb, wówczas energia fotonów jest przekazywana elektronom walencyjnym, które dzięki temu odrywają się od atomów i powiększają liczbę elektronów swobodnych, proporcjonalną do strumienia świetlnego. O tyle samo zwiększa się liczba dziur. Przejawia się to zwiększeniem przewodnictwa półprzewodnika. Do badania charakterystyk fotorezystorów wykorzystuje się następujący obwód elektryczny.

Badana jest zależność prądu opornika od napięcia przy stałym oświetleniu oraz zależność prądu od oświetlenia przy stałym napięciu.

Fotodiodę stanowi półprzewodnikowa dioda o jednym łączu p-n uformowana tak, że płaszczyzna kontaktu obu półprzewodników może być naświetlona strumieniem świetlnym. Naświetlanie złącza p-n powoduje wyzwalanie w obszarach przygranicznych dodatkowych nośników, dziur i elektronów. W warstwie n elektrony są odpychane od złącza dzięki różnicy potencjałów warstwy zaporowej i dołączają do nośników zasadniczych, czyli większościowych tej warstwy, do elektronów. W warstwie p dziury są odpychane od złącza. Gdy połączymy fotodiodę tak jak na rysunku poniżej otrzymujemy obwód z dwoma kontaktami warstw p i n, jeden w naświetlonym złączu, drugi kontakt tych samych warstw poprzez obwód zewnętrzny. Ze względu na to, że fotodioda staje się samodzielnym źródłem prądu, nazywa się ją fotoogniwem.

Fototranzystor działa podobnie jak normalny tranzystor, z tym, że w nim sterujący prąd bazy zostaje zastąpiony poprzez strumień świetlny, który reguluje wartość prądu płynącego przez złącze kolektor - emiter. Układ do badanie charakterystyki fototranzystora przedstawiony został poniżej.

Uzyskane wyniki zostały przedstawione w tabelach:

POMIARY I OBLICZENIA

• Fototranzystor

Zależność prądu od napięcia przy stałej odległości źródła światła:

Napięcie	Prąd (r=40cm)	Prąd (r=20cm)	Prąd (r=10cm)
0,25 V	4 µA	8 µA	17 µA
0,5 V	4,5 µA	9 µA	18 µA
1 V	5 µA	10 µA	21 µA
2 V	7 µA	14 µA	27,5 µA
3 V	9,5 µA	19 µA	38 µA
4 V	14 µA	28 µA	54 µA
5 V	27 µA	48 µA	88 µA
6 V	100 µA	165 µA	245 µA
7 V	700 µA	760 µA	3400 µA

Zależność prądu od odległości źródła światła przy stałym napięciu:

Odległość	Prąd (U=2V)	Prąd (U=4V)
70 cm	4 µA	8 µA
60 cm	5 µA	10 µA
50 cm	5,5 µA	12 µA
40 cm	7 µA	15 µA
30 cm	10 µA	22 µA
20 cm	14 µA	28 µA
10 cm	28 µA	54 µA

• Fotoogniwo

Zależność prądu wytwarzanego przez fotoogniwo od odległości źródła światła:

Odległość	10 cm	20 cm	30 cm	40 cm	50 cm
Prąd	70 μA	56 μA	48 μA	42 μA	37 μA
Odległość	60 cm	70 cm	80 cm	90 cm	100 cm
Prąd	32 *A	31 μA	29 μA	26 μA	23 μA

Natężenie oświetlenia wynosi
. Dla wartości r - odległości źródła światła, użytych w czasie ćwiczenia, wartość natężenia oświetlenia przedstawia się następująco:

Pomiary były dokonywane miernikami o klasie dokładności 0,5. Woltomierz miał zakres 7,5 wolta, a do pomiaru prądu użyto czterech amperomierzy o zakresach: 30 miliamper, 750 mikroamper, 150 mikroamper i 75 mikroamper (w zależności od wielkości prądu mierzonego, zawsze używano amperomierza o najniższym zakresie). Dokładność pomiarów wielkości elektrycznych wynosiła:

• dla prądu <75 µA
  

• dla prądu <150 µA
  

• dla prądu <750 µA
  

• dla prądu <30 mA
  

• dla napięcia
  

Łukasz Gawiński

1

4

10eV

<2eV

a)

b)

c)

mA

V

+

-

+

-

V

µA

mA

---