Andrzej Kaziołka 04.04.2006

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 40.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

1. Zagadnienia do samodzielnego opracowania:

- Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne jako wynik oddziaływania

promieniowania z materią.

- Prawa zjawiska fotoelektrycznego.

- Budowa i zasada działania fotooporu i fotoogniwa.

Zjawisko spowodowane 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).

Prawa zjawiska fotoelektrycznego:

Ze wzrostem padającej energii promienistej (przy ustalonej długości fali promieniowania elektromagnetycznego) to jest ze zwiększeniem gęstości strumienia kwantów zwiększa się liczba elektronów wychodzących w jednostce czasu z jednej powierzchni oświetlanego ciała, lecz nie zmienia się ich prędkość(Vmax).

Prędkość początkowa(Vmax) wychodzących na zewnątrz fotoelektronów jest tym większa, im krótsza jest padająca fala światła, tj. im większa jest energia kwantów promieniowania.

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.

2. 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.

3. Przy stałej wartości napięcia zasilającego przeprowadzić pomiar zależności natężenia prądu od odległości fotooporu od źródła światła. W tym celu zmieniać położenie fotooporu od około 0,2m od źródła światła, aż do takiego położenia, przy którym ćwiczący nie zaobserwuje przepływu prądu w obwodzie.

4. Wykonać na papierze milimetrowym wykres zależności natężenia prądu od odwrotności kwadratu odległości źródła światła od fotooporu.

3. Tabela pomiarowa:

U [ V ]	r [ m ]	I [ A ]	ΔU [ V ]	ΔI [A ]	Δr [ m ]
4,30	0,2	0,000440	0,04	0,000004	0,001
		0,25				0,000220
		0,3				0,000140
		0,35				0,000090
		0,4				0,000060
		0,45				0,000040
		0,5				0,000030
		0,55				0,000020
		0,6				0,000020
		0,65				0,000020
		0,7				0,000010
		0,75				0,000010
		0,8				0,000010
		0,85				0,000010
		0,9				0,000010
		0,95				0

4. Rachunek błędów:

Błędy liczone na podstawie klasy i zakresu przyrządów pomiarowych:

6. Wnioski:

W doświadczeniu sporządzaliśmy charakterystykę fotooporu. Na przedstawionym wykresie zostały zaznaczone również błędy pomiarowe wynikające z niedokładności mierników. Jednak błąd odczytu odległości jest tak mały, że stał się niezauważalny na wykresie.

Wykres badanej zależności jest zbliżony do linii prostej, wnioskować więc możno że ćwiczenie zostało przeprowadzone prawidłowo.

5. Wykres:

---