Ćwiczenie nr 69

Badanie wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego

1	1	35,6	1,000	0,443	0,001	0,009
2	0,99	36,5	1,020	0,454	0,001	0,009
3	0,98	37,1	1,041	0,461	0,001	0,009
4	0,97	37,9	1,063	0,471	0,001	0,009
5	0,96	38,6	1,085	0,480	0,001	0,010
6	0,95	39,3	1,108	0,489	0,001	0,010
7	0,94	40,1	1,132	0,499	0,001	0,010
8	0,93	41,1	1,156	0,511	0,001	0,010
9	0,92	41,8	1,181	0,520	0,001	0,010
10	0,91	42,7	1,208	0,531	0,001	0,011
11	0,90	43,2	1,235	0,538	0,001	0,011
12	0,89	44,3	1,262	0,551	0,001	0,011
13	0,88	45,1	1,291	0,561	0,001	0,011
14	0,87	46,0	1,321	0,573	0,002	0,011
15	0,86	46,9	1,352	0,584	0,002	0,012
16	0,85	47,8	1,384	0,595	0,002	0,012
17	0,84	48,9	1,417	0,609	0,002	0,012
18	0,83	50,0	1,452	0,623	0,002	0,012
19	0,82	51,1	1,487	0,636	0,002	0,013
20	0,81	52,4	1,524	0,653	0,002	0,013
21	0,80	53,5	1,563	0,666	0,002	0,013
22	0,79	55,2	1,602	0,688	0,002	0,014
23	0,78	56,1	1,644	0,699	0,002	0,014
24	0,77	57,6	1,687	0,718	0,002	0,014
25	0,76	59,1	1,731	0,736	0,002	0,015
26	0,75	60,6	1,778	0,755	0,002	0,015
27	0,74	62,3	1,826	0,776	0,002	0,016
28	0,73	63,9	1,877	0,796	0,003	0,016
29	0,72	65,9	1,929	0,821	0,003	0,016
30	0,71	67,6	1,984	0,843	0,003	0,017
31	0,70	69,1	2,041	0,861	0,003	0,017
32	0,69	71,3	2,100	0,889	0,003	0,018
33	0,68	73,4	2,163	0,915	0,003	0,018
34	0,67	75,3	2,228	0,939	0,003	0,019
35	0,66	77,8	2,296	0,970	0,003	0,019
36	0,65	80,3	2,367	1,001	0,004	0,020
37	0,64	82,8	2,441	1,033	0,004	0,021
38	0,63	85,2	2,520	1,063	0,004	0,021
39	0,62	87,9	2,601	1,096	0,004	0,022
40	0,61	90,4	2,687	1,128	0,004	0,023
41	0,60	93,3	2,778	1,164	0,005	0,023
42	0,59	96,4	2,873	1,203	0,005	0,024
43	0,58	99,5	2,973	1,241	0,005	0,025
44	0,57	102,6	3,078	1,280	0,005	0,026
45	0,56	106,4	3,189	1,328	0,006	0,027
46	0,55	110,2	3,306	1,375	0,006	0,028
47	0,54	114,5	3,429	1,429	0,006	0,029
48	0,53	118,3	3,560	1,476	0,007	0,030
49	0,52	122,2	3,698	1,525	0,007	0,031
50	0,50	127,5	4,000	1,591	0,008	0,032
51	0,495	129,5	4,081	1,616	0,008	0,032
52	0,490	132,2	4,165	1,650	0,008	0,033
53	0,485	134,4	4,251	1,678	0,009	0,034
54	0,480	137,3	4,340	1,714	0,009	0,034
55	0,475	140,4	4,432	1,753	0,009	0,035
56	0,470	142,7	4,527	1,781	0,010	0,036
57	0,465	146,4	4,625	1,828	0,010	0,037
58	0,460	149,1	4,726	1,861	0,010	0,037
59	0,455	152,3	4,830	1,901	0,011	0,038
60	0,450	155,5	4,938	1,941	0,011	0,039
61	0,445	158,9	5,050	1,984	0,011	0,040
62	0,440	162,3	5,165	2,026	0,012	0,041
63	0,435	165,3	5,285	2,064	0,012	0,041
64	0,430	169,4	5,408	2,115	0,013	0,042
65	0,425	173,5	5,536	2,166	0,013	0,043
66	0,420	177,5	5,669	2,216	0,013	0,044
67	0,415	182,8	5,806	2,283	0,014	0,046
68	0,410	186,3	5,949	2,326	0,015	0,047
69	0,405	190,7	6,097	2,381	0,015	0,048
70	0,400	194,6	6,250	2,430	0,016	0,049
71	0,395	199,9	6,409	2,496	0,016	0,050

I Zagadnienia teoretyczne.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne w najogólniejszym ujęciu polega na wyzwalaniu elektronów w materii pod wpływem energii fotonów promieniowania. Opierając się na pojęciu kwantowej natury światła, Einstein (1905r.) zastosował do zjawiska fotoelektrycznego prawo zachowania energii i podał ilościową zależność między energią kwantów padającego promieniowania wywołującego fotoefekt i energią, jaką otrzymuje wyzwolony elektron. Energia pojedynczego kwantu promieniowania wynosi:

gdzie  jest częstością drgań, λ długością fali padającego promieniowania, h - uniwersalną stałą Planca wynoszącą h=6,62*10^-34.

Fotorezystor.

Fotooporem albo fotorezystorem nazywamy półprzewodnik, którego opór zmienia się pod wpływem strumienia świetlnego. Substancjami służącymi do sporządzania fotooporów są związki siarczku kadmu, bizmutu i inne, które wykazują właściwości półprzewodników.

Gdy światło pada na powierzchnię półprzewodnika i wnika w jego głąb, oczywiście na pewną, niezbyt dużą odległość, wówczas energia fotonów jest przekazywana elektronom walencyjnym, dzięki czemu odrywają się od atomów i powiększają liczbę elektronów swobodnych o pewną liczbę n (w 1 cm³), proporcjonalną do padającego strumienia świetlnego . O tyle samo zwiększa się liczba dziur. W związku z tym daje się zauważyć zwiększenie natężenia prądu o pewien dodatkowy przyrost:

n - przyrost liczby swobodnych elektronów w 1 cm³;

S - poprzeczny przekrój przewodnika;

e - nabój elektronu;

v⁺, v^- - prędkości dziur i elektronów w sieci przestrzennej półprzewodnika;

w stosunku do natężenia prądu I_C płynącego w przewodniku bez naświetlania (prąd czarny). W czasie naświetlania płynie tzw. „prąd jasny” I_J = I_C + I.

Fotodioda.

Fotodiodę stanowi półprzewodnikowa dioda o jednym przejściu p-n uformowana tak, że płaszczyzna kontaktu obu półprzewodników może być naświetlona strumieniem świetlnym . Baza fotodiody jest warstwą dostatecznie cienką, tak aby strumień świetlny mógł wniknąć w obszar przejścia p-n. Obszar o większej koncentracji nośników to emiter, o mniejszej - baza.

Naświetlenie złącza p-n powoduje wyzwalanie w obszarach przygranicznych dodatkowych nośników. W warstewce n elektrony są odpychane od złącza dzięki różnicy potencjałów warstwy zaporowej i dołączają do nośników zasadniczych, czyli większościowych tej warstewki, do elektronów. W warstewce p dziury są odpychane od złącza. W strefie przygranicznej gromadzą się nośniki niezasadnicze, mniejszościowe: po stronie n - dziury, po stronie p - elektrony.

Fotoogniwo - fotodioda jako samodzielne źródło prądu.

Bezpośrednie sprawdzenie informacji uzyskanych na podstawie charakterystyk zaporowych można przeprowadzić łącząc fotodiodę w obwód elektryczny. Naświetlenie strefy granicznej p-n staje się źródłem siły elektromotorycznej E_P-N, której pojawienie się jest związane ze zmniejszeniem się napięcia kontaktowego naświetlonego łącza:

U^'_K - napięcie kontaktowe naświetlonego łącza;

W obwodzie mamy dwa kontakty warstw p-n: jeden w naświetlonym łączu, drugi poprzez obwód zewnętrzny. Bardzo rozpowszechnionym typem ogniwa zaporowego jest fotoogniwo selenowe (Pb-Se). Mamy w nim żelazną płytkę podkładową, na którą naniesiona jest warstwa selenu, stanowiąca warstwę diody typu n. Górna warstewka ołowiu jest bardzo cienka, dla światła niemal przezroczysta i stanowi ona warstwę typu p.

Pojęcia.

Natężenie oświetlenia - wielkość fotometryczna, równa stosunkowi strumienia świetlnego  do powierzchni S prostopadłej do jego kierunku.

W przypadku nierównomiernego rozkładu strumienia świetlnego E=d/dS. Jeżeli rozmiary żródła światła są niewielkie w stosunku do odległości, to: E zwane jest także oświetleniem. Jego jednostką jest luks (1 lx).

Luminacja - wielkość charakteryzująca świecenie w danym kierunku źródeł światła i oświetlonych przez nie przedmiotów. L mierzy się stosunkiem światłości dI do rzutu powierzchni świecącej dS na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku:

Światłość - wielkość doświadczalna, określona przez porównanie wrażeń wzrokowych wywołanych promieniowaniem przedmiotu i promieniowaniem wzorca. Jednostką światłości jest kandela (1 cd).

II Pomiary.

Na jednym z końców ławy optycznej zestawu ustawiono na koniku fotokomórkę w obudowie. W odległości r = 1m na drugim końcu ławy ustawiono lampę oświetlającą (źródło światła białego) ze szczeliną w obudowie. Podłączono oba przyrządy wg schematu podanego w instrukcji ćwiczenia. Następnie wyznaczono wartość prądu I₀ z zaciemnionym pomieszczeniu przy wyłączonym oświetlaczu. Potem, zmniejszając odległość r oświetlacza od fotokomórki notowano wartości natężenia fotoprądu.

III Opracowanie wyników pomiarów.

1. Przeskalowano fotoprąd, czyli wyliczono wartość I z zależności:

gdzie:
- wskazanie miernika przy włączonym oświetlaczu;

- wskazanie miernika przy wyłączonym oświetlaczu.

2. Wyliczono wartość
biorąc pod uwagę fakt, iż natężenie prądu fotoelektrycznego jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości fotokomórki od źródła światła.

3. Sporządzono wykres zależności:
czyli zależność:
- Wykres 1.

IV. Ocena błędów.

Ze względu na trudności w przeprowadzeniu pomiaru, ustalono stałą fluktuację fotokomórki równą 2% wartości fotoprądu.

Błąd wartości d=(1/r²) obliczono metodą pochodnej logarytmicznej:

i naniesiono na Wykres 1.

V Wnioski

Na błąd pomiaru wpłynęło m.in.:

• niemożność wyeliminowania oświetlenia, gdyż podczas wykonywania tego doświadczenia wymagane było całkowite zaciemnienie pomieszczenia;

• słaba dokładność miarki na ławie optycznej;

• niemożność statycznego ustawienia oświetlacza umieszczonego na koniku;

• klasa amperomierza;

Przyjęliśmy błąd związany ze fluktuacją fotokomórki równy 2% wartości fotoprądu, oraz wyznaczyliśmy błąd związany z wartością
metoda pochodnej logarytmicznej.

---