[e-mail] 16-05-2005

IED L09

Sprawozdanie z ćw. nr 40

Temat: Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

1. Zagadnienia do samodzielnego opracowania.

W normalnych warunkach elektron nie może opuścić metalu. Musi on pokonać potencjał jonizacyjny. Energię potrzebną do pokonania tego potencjału musi otrzymać z zewnątrz w postaci np.: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, energii świetlnej. Emisja pod wpływem światła nosi nazwę 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, a związany z nimi prąd fotoprądem. Zjawiskiem tym rządzą następujące prawa:

• elektrony pojawiają się natychmiast po oświetleniu metalu (po czasie 3*10^-9s);

• gęstość prądu fotoelektrycznego. Czyli liczba emitowanych fotoelektronów jest proporcjonalna do oświetlenia;

• energia fotoelektronów nie zależy od natężenia światła;

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

Zjawiska tego nie da się wyjaśnić na podstawie falowej teorii światła. Zjawisko wyjaśnił Einstein na podstawie korpuskularnej teorii światła. Światło składa się z drobnych cząsteczek (kwantów) o energii h*f (f- częstość drgań, h - stała Plancka). Kwant światła padając na metal, przekazuje swoją energię tylko jednemu elektronowi dzięki czemu elektron może pokonać barierę potencjału oddzielającą go od otoczenia. Nadmiar energii elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej. Opisuje to równanie: h*f = W+ ½mV² , gdzie W to praca wyjścia elektr. z metalu a ½ V² to energia kinetyczna elektronu. Zjawisko fotoelektryczne zachodzi dla częst. progowej, dla której energia kwantu jest równa pracy wyjścia elektronu z metalu. Większość metali wymaga częstości która nie leży w zakresie światła widzialnego.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na zmianie właściwości przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem energii promieniowania świetlnego. Kwanty promieniowania przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Zjawisko to wystąpi tylko dla częstości większych od częstości granicznej, dla której energia kwantu jest równa szerokości pasma wzbronionego. Uwolnione elektrony mogą poruszać się swobodnie w krysztale. Miejsce po uwolnionym elektronie może zająć elektron z wiązania sąsiedniego. Wtedy brak elektronu w wiązaniu, czyli dziura przenosi się do wiązania sąsiedniego. Zatem fotoelektrony jak i dziury mogą poruszać się w ciele a tym samym przenosić prąd. Jeżeli jednak elektron i dziura znajdują się w tym samym miejscu, wtedy elektron zajmuje wolne miejsce w wiązaniu i obydwa nośniki zanikają. Proces ten nazywamy rekombinacją. Liczba rekombinacji jest zależna od liczby nośników i stopniowo jak w czasie oświetlania wzrasta liczba nośników, wzrasta również liczba rekombinacji, wskutek czego ustala się równowaga dynamiczna w której liczba dodatkowych nośników zależy tylko od liczby powstających nośników, czyli od oświetlenia. Zjawisko fotoelektryczne zachodzi tylko w cienkiej warstwie przypowierzchniowej, w której padające światło nie zostało całkowicie zaabsorbowane. Celem zwiększenia efektu należy do maksimum zwiększyć powierzchnię próbki, nadając jej kształt cienkiej blaszki. Zjawisko to znalazło zastosowanie w fotoopornikach.

Fotoopornik to cienka długa taśma półprzewodnika, na którą padające światło powoduje wzrost liczby nośników odpowiedzialnych za przepływ prądu elektrycznego. Zatem opór oświetlonego fotorezystora jest mniejszy niż nieoświetlonego. Jest to cienka taśma, którą przed uszkodzeniami mechanicznymi chroni warstwa szkła organicznego.

Fotoogniwo wykorzystuje zjawisko fotoelektryczne w ten sposób, że pod wpływem oświetlenia fotoogniwo ładuje się i może następnie posłużyć jako źródło prądu. Na złącze metal-półprzewodnik pada wiązka światła i 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 liczba swobodnych elektronów które w warunkach istniejącej równowagi dynamicznej przechodzą natychmiast do metalu ładując go ujemnie.

2. Wprowadzenie.

W ćwiczeniu badać będziemy element fotooporowy przez naświetlanie go światłem punktowym i kolejne odczytywanie wartości prądu płynącego w obwodzie do którego został on włączony. Jak wspomniano w poprzednim punkcie fotorezystom ma tę właściwość, że dzięki wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego jego opór będzie ulegał zmianie w zależności od natężenia światła na niego padającego.

Zatem ze zmianą oporu elektrycznego zgodnie z prawem Ohma zmienić powinien się także prąd w obwodzie.

Schemat obwodu do badania:

Przebieg ćwiczenia:

1. Połączyć obwód jak na schemacie powyżej.

2. Ustawić źródło światła w odległości około 0,2m 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: I=I(r). W tym celu zmieniać położenie fotooporu od około 0,15m od źródła światła aż do takiego położenia, w którym nie zaobserwuje się przepływu prądu w obwodzie (I=0).

4. Wykonać na papierze milimetrowym wykres zależności natężenia prądu od odwrotności kwadratu odległości źródła od fotooporu I(1/r²) i przeanalizować wyniki.

Lp.	U [ ]	r [ ]	I [ ]	U [ ]	I [ ]	r [ ]

4. Uwagi i wnioski.

Przeprowadzone pomiary zostały przy napięciu 18,5 V. Pomiary dokonywaliśmy od punktu oddalonego o 15 cm od źródła światła do momentu aż natężenie przestało mieć wpływ na fotoopór. Z przeprowadzonych pomiarów sporządziliśmy wykres zależności, który potwierdza jednoznacznie zależność natężenia światła od odległości od źródła I~(1/r­­­­²). Na niedokładność wykreślonej zależności miały wpływ błędy.

Na błąd pomiaru miały wpływ: wahania natężenia światła oraz zmienności rozmiarów strumienia padającego światła w zależności odległości źródła od fotooporu. Na błąd pomiaru natężenia światła wpływał błąd popełniany przez miernik, który został oszacowany jako
gdzie k - klasa dokładności miernika, ZP - zakres pomiarowy miernika, czyli I = (0,5/100)*30=0,15mA. Na błąd miała też dokładność odczytu odległości od źródła. Błąd odległości policzyliśmy przez różniczkowanie.

Na błąd wpłynęło także to, iż zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodziło nie tylko poprzez energię świetlną dostarczoną do elementu fotooporu ale także dla bliższych odległości od źródła promieniowania znaczącą rolę odgrywa energia cieplna emitowana przez żarówkę. Dla odległości większych natomiast na błąd wpływało to iż promieniowanie świetlne ulegało odbiciu os ścianek rurki przez którą biegło zamiast być w nich pochłaniane przez co natężenie światła jakie docierało do fotooporu po linii prostej było powiększone o promieniowanie emitowane na boki a odbite przez ścianki rurki i skierowane na fotoopór.

światło

FR

mA

V

dzielnik

napięcia

zasilacz

220V

---