31.03.2009r.

Ćwiczenie nr 55

BADANIE FOTOOPORU I FOTOOGNIWA

I. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny i wewnętrzny.

Jak wiadomo, elektron nie może sam opuścić metalu. Musi dostać z zewnątrz potrzebną do tego energię w postaci: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, bombardowania lub energii świetlnej. Jeżeli opuszczenie elektronu spowodowane jest ostatnim z wymienionych czynników, wtedy nazywamy to fotoemisją lub efektem fotoelektrycznym. Rozróżniamy dwa rodzaje efektów fotoelektrycznych: zewnętrzne i wewnętrzne.

Najpierw omówię efekt fotoelektryczny zewnętrzny. Polega on na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. W zjawisku tym:

• fotoelektrony, czyli uwolnione pod wpływem światła elektrony, pojawiają się natychmiast po naświetleniu metalu (dokładnie po
  );

• im mocniejsze oświetlenie tym większa ilość emitowanych fotoelektronów i na odwrót: im mniejsze oświetlenie tym mniej emitowanych fotoelektronów;

• natężenie światła nie wpływa na energię fotoelektronów;

• energia najszybszych fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do częstości drgań
  fali świetlnej.

Prawa te można wyjaśnić w oparciu o korpuskularną teorię światła, ale przeczą one falowej jego falowej naturze. Efekt fotoelektryczny obserwujemy, jeżeli częstość drgań
fali świetlnej przekracza wartość częstości progowej
. Częstością progową nazywamy częstość drań fali świetlnej, której iloczyn przez stałą Plancka (
) jest równy pracy „wychodzenia” elektronu z metalu. Dla dużej części metali częstość progowa jest wyższa niż częstość światła widzialnego, czyli leży w nadfiolecie. Częstość progowa znajduje się w granicach światła widzialnego tylko dla metali alkaicznych. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny znalazł zastosowanie w fotokomórkach.

Wyróżniamy również efekt fotoelektryczny wewnętrzny. W zjawisku tym, elektrony przenoszone są z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dzięki temu wzrasta przewodnictwo właściwe. Można to wyjaśnić w następujący sposób: kwanty światła, które padają na półprzewodnik zrywają wiązania i uwalniają elektrony tworzące te wiązania. Te uwolnione elektrony mogą się swobodnie poruszać. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi dla częstości drgań
fali świetlnej wyższych od częstości granicznej
, której iloczyn przez stałą Plancka jest równy szerokości pasma wzbronionego ΔE.

Efekt fotoelektryczny wewnętrzny zachodzi tylko w cienkiej warstwie powierzchniowej.

Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od ilości nośników prądu, opór oświetlonej próbki jest mniejszy niż opór płytki nieoświetlonej. Zjawisko to znalazło zastosowanie w fotoopornikach.

II. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.

Ze względu na skład materiału z jakiego składa się półprzewodnik możemy wyróżnić półprzewodniki samoistne i domieszkowane.

Półprzewodniki samoistne to takie, których materiał jest idealnie czysty i nie ma zanieczyszczeń natury krystalicznej. Ilość elektronów przypadających na jednostkę objętości, w tym typie półprzewodników jest równa ilości dziur przypadających na jednostkę objętości. Ogólnie półprzewodniki charakteryzują się wysoką opornością właściwą i niską przewodnością właściwą, ponieważ nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych.

Półprzewodniki domieszkowane natomiast, to takie które powstają, jeżeli do struktury krystalicznej półprzewodnika samoistnego wprowadzimy dodatkowe atomy pierwiastka nie wchodzącego w skład półprzewodnika samoistnego.

Wśród nich możemy wyróżnić półprzewodniki nadmiarowe i niedomiarowe. Półprzewodniki nadmiarowe to takie, które mają nadmiarowe elektrony. Nazywamy je półprzewodnikami typu n. Powstają, np. gdy do półprzewodnika zbudowanego z pierwiastka grupy 14 (krzem, german) wprowadzimy pierwiastek grupy 15(arsen, antymon). Natomiast półprzewodniki niedomiarowe to takie, które mają niedomiar elektronów. Nazywamy je półprzewodnikami typu p. Powstają, np. gdy do półprzewodnika typu n wprowadzimy pierwiastek grupy 13 (bor, gal).

III. Fotoopór.

Fotoopornik jest elementem półprzewodnikowym, czułym na światło.

Fotooporniki wykonane są zazwyczaj z cienkich warstw półprzewodnika umieszczonych na warstwie izolacyjnej.

Zasada działania fotoopornika oparta jest na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym.

Im większe oświetlenie fotoopornika, tym mniejsza jego rezystancja, a zatem również większy przepływ prądu, co spowodowane jest uwalnianiem elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem energii przekazywanej przez światło.

IV. Fotoogniwo.

Fotoogniwo jest źródłem prądu, które powstaje na skutek oświetlania złącza

półprzewodnik-metal. Wiązka światła, która spada na styk zakłóca stan równowagi dynamicznej. Kwanty światła przekazują energię elektronom w półprzewodniku, przenosząc je z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Zatem w półprzewodniku wrasta ilość elektronów swobodnych, które natychmiast przechodzą do metalu ładując go ujemnie.

Istnieją dwa typy fotoogniw: miedziowe i talowe.

V. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.

Widmem fal elektromagnetycznych nazywamy klasyfikację fal według ich częstotliwości. Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.

Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma.

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Mikrofale - promieniowanie elektromagnetycznego o częstotliwości 1-300 GHz.

Podczerwień (IR) - to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 - 1000 µm), ale są to tylko umowne granice.

Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego.

Ultrafiolet (UV) - promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X.

Promieniowanie X - rodzaj promieniowania elektromagnetycznego pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Zakresy promieniowania X: twarde promieniowanie X - długość od 5 pm do 100 pm i miękkie promieniowanie X - długość od 0,1 nm do 10 nm

Promieniowanie gamma - wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta.

3. LITERATURA:

• Henryk Szydłowski; „Pracownia Fizyczna”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1973; rozdział 28;

• David Halliday, Robert Resnick; „Fizyka 2”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1993; rozdziały 39-6;