Imię i nazwisko:
|
Ćwiczenie nr 4
Badanie elementów fotoelektrycznych |
||
Kierunek i rok:
Fizyka Mag. Uzup. I rok |
Ocena z kolokwium:
Data : Podpis:
|
Ocena ze sprawozdania:
Data : Podpis:
|
Ocena końcowa:
Data : Podpis:
|
Nazwisko prowadzącego zajęcia:
|
|
|
|
Pasmowa teoria ciał stałych.
Teoria tłumacząca właściwości elektronowe ciał stałych, opiera się na założeniu, że podczas powstawania struktury krystalicznej ciała stałego dozwolone dla elektronów poziomy energetyczne swobodnych atomów rozszczepiają się tworząc pasma poziomów blisko leżących. Poszczególne pasma są od siebie oddzielone pasmem wzbronionym (przerwą energetyczną), najwyższe, całkowicie lub częściowo wypełnione elektronami pasmo jest nazywane pasmem walencyjnym, a kolejne wyższe, całkowicie lub prawie całkowicie puste — pasmem przewodnictwa. W niecałkowicie zapełnionym paśmie pole elektryczne może spowodować przeniesienie elektronu na sąsiedni poziom energetyczny, tj. wywołać przepływ prądu. W całkowicie zapełnionym paśmie nie może ono zmieniać ani położenia, ani pędu elektronu, a więc nie wywołuje przepływu prądu. Ze względu na wzajemne położenie pasma walencyjnego oraz pasma przewodnictwa i stopień zapełnienia ich elektronami, ciała stałe dzieli się na: metale, półprzewodniki i dielektryki. Przewodnictwo elektryczne metali zawiera się w granicach 104 - 106 cm-1 dielektryków w granicach 10-24 - 10-1 cm-1 pomiędzy nimi zaś znajdują się półprzewodniki. W metalach elektrony walencyjne są słabo związane i dlatego wykazują znaczną ruchliwość, częściowo nakłada się z pasmem przewodnictwa. Metale są zatem dobrymi przewodnikami elektryczności. W półprzewodnikach i dielektrykach w temp. 0 K pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione i oddzielone od pasma przewodnictwa przerwą energetyczną na ogół przyjmuje się, że przerwa energetyczna jest w przypadku półprzewodników mniejsza od 3 eV, a w przypadku dielektryków — większa od 3 eV. Wąska przerwa energetyczna w półprzewodnikach sprawia, że pewna liczba elektronów już w temperaturze pokojowej ma wystarczającą energię, by przejść do pasma przewodnictwa. Liczba ta, a więc i przewodnictwo elektryczne półprzewodnika rosną z temperaturą, wzrost przewodnictwa może być również wywołany wprowadzeniem do półprzewodnika domieszek, tj. atomów, które albo oddają elektron do pasma przewodnictwa (donor), albo wychwytują elektron z pasma walencyjnego (akceptor) pozostawiając w tym paśmie dziurę, biorącą udział w przewodzeniu prądu. W dielektrykach przerwa energetyczna jest bardzo duża w stosunku do średniej energii kinetycznej elektronów i w temperaturze pokojowej ich przewodnictwo elektryczne jest bardzo małe, są one zatem izolatorami elektryczności.
W pasmowej teorii ciała stałego strukturę elektronową konkretnego ciała stałego określa się wykorzystując jego charakterystyczne cechy opisane przez: rozkład stanów energetycznych atomów tworzących kryształ, charakter wiązań chemicznych., symetrię sieci krystalicznej i doświadczalnie wyznaczone wartości energii niektórych stanów energetycznych elektronów w krysztale.
Rys. Rozkład pasm energetycznych.
Fotoprzewodnictwo
zjawisko polegające na zmianie przewodności elektr. ciała pod wpływem światła na skutek zwiększenia koncentracji nośników ładunku (elektronów w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym) w wyniku zjawiska fotoelektrycznego (wewnętrznego).
zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne występuje w ciałach stałych polega na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. Zjawisko to zachodzi wówczas gdy energia padającego fotonu jest większa od pracy wyjścia jaką elektron musi wykonać aby „wydobyć się” na zewnątrz ciała .
zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne w przypadku tego procesu w metalu pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego następuje przeniesienie elektronów między pasmami energetycznymi. Kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Zjawisko to wystąpi wówczas gdy energia padającego kwantu jest większa od szerokości przerwy energetycznej
.
Zjawisko fotowoltaiczne
Zjawisko polegające na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele stałym pod wpływem promieniowania świetlnego. W związku z tym należy do zjawisk fotoelektrycznych wewnętrznych. Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauważył w roku 1839 Henri Becquerel. Zjawisko to jest wykorzystywane w ogniwach fotowoltaicznych, które coraz częściej zastępują inne rodzaje źródeł energii. Siła elektromotoryczna (SEM, Ε - duży ε) jest różnicą potencjałów (napięciem elektrycznym) powstającą w źródle prądu elektrycznego, czyli urządzeniu przetwarzającym różne rodzaje energii na energię elektryczną, powstajaca w wyniku tej przemiany. Jednostką SEM jest Wolt. SEM nie jest siłą w sensie normalnej, fizycznej definicji tego słowa, a nazwa ta jest swoistą pozostałością historyczną. W uproszczeniu można powiedzieć, że SEM jest miarą maksymalnej zdolności układu do generowania prądu elektrycznego. SEM definiuje się jako pracę potrzebną do przesunięcia ładunku jednostkowego od bieguna ujemnego do dodatniego
W - praca; q - ładunek jednostkowy
Fotoelektryczne przyrządy półprzewodnikowe
Fotorezystor jest przyrządem półprzewodnikowym o przewodności elektrycznej zmieniającej się pod wpływem oświetlenia . Zmiana zachodzi niezależnie od kierunku przyłożonego napięcia zewnętrznego. Fotoresytory wykonane są z materiałów tj. : CdS, CdSe, CdTe, PbSe.
Najprostszy fotorezystor ma postać płytki (cienkiej warstwy) półprzewodnikowej naniesionej na izolacyjne np. szklane podłoże. Na płytce na jej przeciwległych końcach umieszczone są metalowe elektrody. Do urządzenia dołącza się źródło napięcia i miernik prądu.
Dopóki fotorezystor znajduje się w ciemności , miernik wykazuje prąd ciemny. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu a zmniejszenie jego rezystancji. Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nazywamy prądem fotoelektrycznym.
Rys. Charakterystyka prądowo - napięciowa I= f (U) fotorezystora .
Fotodioda jest to dioda półprzewodnikowa, której parametry elektryczne zależą od padającego promieniowania świetlnego. W tym celu umieszczana jest ona w specjalnej obudowie z przezroczystym oknem. Jeśli na złącze pada promieniowanie świetlne, powoduje ono dostarczenie energii do złącza, w wyniku czego następuje generacja par elektron - dziura. Zjawisko to można traktować jako wstrzykiwanie nośników mniejszościowych przez promieniowanie świetlne. Prąd płynący przez złącze jest wtedy sumą dwóch składowych: prądu nasycenia (prądu ciemnego) i prądu proporcjonalnego do natężenia oświetlenia.
Charakterystyka diody w czwartej ćwiartce układu współrzędnych ilustruje jej pracę jako przetwornika promieniowania świetlnego, inaczej baterii słonecznej. Jeśli oświetlona fotodioda jest rozwarta (nie płynie przez nią prąd), to wielkość napięcia powstałego na jej zaciskach nazywamy napięciem fotowoltaicznym.
Rys. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotodiody.
Fotoogniwo jest przyrządem o stosunkowo dużej powierzchni oświetlonej. Złącze pn znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie oświetlanej powierzchni. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika związane z obecnością złącza pn, przesuwa nośniki różnych rodzajów w różne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi, a napięcie na złączu jest stałe, oświetlone złącze działa jak ogniwo elektryczne.
Charakterystyka prądowo - napięciowa
Charakterystyki zewnętrzne fotoogniwa zależą, zatem również od rezystancji obciążenia. Zależność tę obrazują charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa krzemowego przy różnych wartościach mocy promieniowania.
Fototranzystor
Element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron- dziura w warstwie typu p. Zawsze mamy jednak do czynienia ze złączem emiter-baza spolaryzowanym w kierunku przewodzenia i złączem baza-kolektor spolaryzowanym zaporowo. Oświetlenie obszaru bazy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali powoduje w wyniku fotoefektu wewnętrznego pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i ujemnych nośników prądu; dziur i elektronów. Zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje rozdzielenie nośników (analogicznie jak ma to miejsce w zaporowo spolaryzowanej fotodiodzie). Nośniki mniejszościowe pod wpływem pola elektrycznego na granicy baza kolektor zostają "przerzucone" do kolektora. Nośniki większościowe gromadzą się w bazie, co powoduje obniżenie bariery potencjału na złączu baza emiter, a to z kolei umożliwia przejście nośników większościowych z obszaru emitera do obszaru bazy. Nośniki te w obszarze bazy stają się nośnikami mniejszościowymi, zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje ich przejście do obszaru kolektora i zwiększenie prądu kolektora.
Rys. Rodzina charakterystyk prądowo- napięciowych fototranzystora dla różnych wartości oświetlenia
Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED- dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, jak i podczerwieni.
Działanie diody LED opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.
Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to: pochłanianie wewnętrzne i całkowite wewnętrznego odbicia.
Charakterystyka prądowo - napięciowa diody LED
Wyniki pomiarów:
Wykonanie ćwiczenia
- zdjąłem charakterystykę prądowo- napięciową I = f(U) fotorezystora dla strumienia świetlnego
- zdjąłem charakterystykę świetlną I = f(Ф) fotorezystora przy za zadanej warttości napięcia U
- zdjąłem charakterystykę prądowo- napięciową I = f(U) fotodiody w kierunku zaporowym dla strumienia świetlnego
- zdjąłem charakterystykę świetlną I = f(U) fotodiody przy zadanej wartości U
- zdjąłem charakterystykę prądowo- napięciową I = f(UEK) fototranzystora dla strumienia świetlnego
- wyznaczyłem charakterystykę świetlną fotoogniwa U = f(Ф)
Fotorezystor
I = f (U) |
φ0=0 |
φ1=25 |
φ2=50 |
|
I=f(φ) U=0,6 V |
φ |
||
U [V] |
I [μ A] |
I [μ A] |
I [μ A] |
|
x [m] |
I [μ A] |
|
|
0,1 |
1,5 |
74 |
49 |
|
0,50 |
300 |
4 |
|
0,2 |
3,0 |
160 |
106 |
|
0,45 |
335 |
5 |
|
0,3 |
4,4 |
225 |
158 |
|
0,40 |
375 |
6,25 |
|
0,4 |
5,9 |
305 |
220 |
|
0,35 |
405 |
8,2 |
|
0,5 |
7,3 |
388 |
315 |
|
0,30 |
420 |
11,1 |
|
0,6 |
8,6 |
455 |
375 |
|
0,25 |
430 |
16 |
|
0,7 |
11,0 |
520 |
445 |
|
0,20 |
500 |
25 |
|
0,8 |
12,5 |
590 |
470 |
|
0,15 |
570 |
44,4 |
|
0,9 |
14,0 |
660 |
550 |
|
0,10 |
700 |
100 |
|
1,0 |
15,0 |
720 |
640 |
|
0,05 |
980 |
400 |
|
Fotodioda
I = f (U) φ0=0 φ1=20 φ2=40 |
|
I=f(φ) U=0,5 V |
φ |
||||
U [V] |
I [μ A] |
I [μ A] |
I [μ A] |
|
x [m] |
I [μ A] |
|
0,1 |
1 |
6,7 |
3,8 |
|
0,50 |
3,9 |
4 |
0,2 |
1 |
6,8 |
3,8 |
|
0,45 |
4,2 |
5 |
0,3 |
1 |
6,9 |
3,8 |
|
0,40 |
4,8 |
6,25 |
0,4 |
1 |
6,9 |
3,8 |
|
0,35 |
5,4 |
8,2 |
0,5 |
1 |
6,9 |
3,8 |
|
0,30 |
5,5 |
11,1 |
0,6 |
1 |
6,9 |
3,8 |
|
0,25 |
5,6 |
16 |
0,7 |
1 |
6,9 |
3,9 |
|
0,20 |
6,6 |
25 |
0,8 |
1 |
6,9 |
3,9 |
|
0,15 |
7,9 |
44,4 |
0,9 |
1 |
6,9 |
3,9 |
|
0,10 |
9,5 |
100 |
1,0 |
1 |
7,0 |
3,9 |
|
0,05 |
13 |
400 |
Przyjmuję, że φ0=0 jest równe zero ponieważ prąd na poziomie 1 mili ampera był wywołany przez zasilacz.
Fototranzystor
I = f (U) φ0=0 |
φ1=20 |
φ2=40 |
|
||
U [V] |
I [μ A] |
I [μ A] |
I [μ A] |
|
|
0,1 |
1 |
7 |
5 |
|
|
0,2 |
1 |
80 |
55 |
|
|
0,3 |
1 |
175 |
100 |
|
|
0,4 |
1 |
185 |
104 |
|
|
0,5 |
1 |
185 |
106 |
|
|
0,6 |
1 |
185 |
106 |
|
|
0,7 |
1 |
185 |
106 |
|
|
0,8 |
1 |
185 |
106 |
|
|
0,9 |
1 |
185 |
106 |
|
|
1,0 |
1 |
185 |
108 |
|
|
Charakterystyka świetlna fotoogniwa
x [m] |
|
U = [mV ] |
0,05 |
400 |
225 |
0,10 |
100 |
175 |
0,15 |
44,4 |
165 |
0,20 |
25 |
155 |
0,25 |
16 |
150 |
0,30 |
11,1 |
140 |
0,35 |
8,2 |
135 |
0,40 |
6,25 |
130 |
0,45 |
5 |
125 |
0,50 |
4 |
120 |
Niepewności pomiarowe
Liczę ΔI [μA] ze wzoru ΔI=(klasa*zakres)/(100*wychylenie( I )); klasa 0,5
Fotorezystor
|
||||||||
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
φ0=0 [cm] |
φ1=25 [cm] |
φ1=50 [cm] |
||||||
1,5 |
10 |
0,05 |
74 |
1000 |
0,06 |
49 |
1000 |
0,01 |
3,0 |
10 |
0,03 |
160 |
1000 |
0,03 |
106 |
1000 |
0,04 |
4,4 |
10 |
0,02 |
225 |
1000 |
0,02 |
158 |
1000 |
0,03 |
5,9 |
10 |
0,01 |
305 |
1000 |
0,02 |
220 |
1000 |
0,02 |
7,3 |
10 |
0,01 |
388 |
1000 |
0,01 |
315 |
1000 |
0,02 |
8,6 |
10 |
0,01 |
455 |
1000 |
0,01 |
375 |
1000 |
0,01 |
11,0 |
10 |
0,01 |
520 |
1000 |
0,01 |
445 |
1000 |
0,01 |
12,5 |
10 |
0,01 |
590 |
1000 |
0,01 |
470 |
1000 |
0,01 |
14,0 |
10 |
0,01 |
660 |
1000 |
0,01 |
550 |
1000 |
0,01 |
15,0 |
10 |
0,01 |
720 |
1000 |
0,01 |
640 |
1000 |
0,01 |
Fotodioda
|
||||||||
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
φ0=0 [cm] |
φ1=25 [cm] |
φ1=50 [cm] |
||||||
0 |
10 |
0 |
6,7 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,8 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,8 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,9 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,9 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
6,9 |
10 |
0,01 |
3,9 |
10 |
0,01 |
0 |
10 |
0 |
7,0 |
10 |
0,01 |
3,9 |
10 |
0,01 |
Fototranzystor
|
||||||||
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
I [μ A] |
Zakres |
ΔI [μA] |
φ0=0 [cm] |
φ1=25 [cm] |
φ1=50 [cm] |
||||||
0 |
10 |
0 |
7 |
100 |
0,05 |
5 |
100 |
0,05 |
0 |
10 |
0 |
80 |
500 |
0,03 |
55 |
500 |
0,04 |
0 |
10 |
0 |
175 |
500 |
0,02 |
100 |
500 |
0,03 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
104 |
500 |
0,03 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
106 |
500 |
0,02 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
106 |
500 |
0,02 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
106 |
500 |
0,02 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
106 |
500 |
0,02 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
106 |
500 |
0,02 |
0 |
10 |
0 |
185 |
500 |
0,02 |
108 |
500 |
0,02 |
Fotorezystor |
Fotodioda |
||||||
I=f(φ) U=0,5V |
ΔI [μA] |
zakres |
I=f(φ) U=0,5V |
ΔI [μA] |
zakres |
||
x [m] |
I [μA] |
|
|
x [m] |
I [μA] |
|
|
0,50 |
300 |
0,02 |
1000 |
0,50 |
3,9 |
0,08 |
100 |
0,45 |
335 |
0,02 |
1000 |
0,45 |
4,2 |
0,08 |
100 |
0,40 |
375 |
0,01 |
1000 |
0,40 |
4,8 |
0,07 |
100 |
0,35 |
405 |
0,01 |
1000 |
0,35 |
5,4 |
0,07 |
100 |
0,30 |
420 |
0,01 |
1000 |
0,30 |
5,5 |
0,07 |
100 |
0,25 |
430 |
0,01 |
1000 |
0,25 |
5,6 |
0,06 |
100 |
0,20 |
500 |
0,01 |
1000 |
0,20 |
6,6 |
0,06 |
100 |
0,15 |
570 |
0,01 |
1000 |
0,15 |
7,9 |
0,05 |
100 |
0,10 |
700 |
0,01 |
1000 |
0,10 |
9,5 |
0,04 |
100 |
0,05 |
980 |
0,01 |
1000 |
0,05 |
13 |
0,04 |
100 |
Liczę ΔU ze wzoru ΔU=(klasa*zakres)/(100*wychylenie (U)):
zakres |
U = [mV ] |
Δ U = [mV ] |
1000 |
225 |
0,03 |
1000 |
175 |
0,03 |
1000 |
165 |
0,04 |
1000 |
155 |
0,04 |
1000 |
150 |
0,04 |
1000 |
140 |
0,04 |
1000 |
135 |
0,05 |
1000 |
130 |
0,05 |
1000 |
125 |
0,05 |
1000 |
120 |
0,05 |
Wnioski:
Celem ćwiczenia było wyznaczenie charakterystyk prądowo - napięciowych oraz świetlnych elementów fotoelektrycznych takich jak: fotorezystor, fotodioda, fototranzystor oraz fotoogniwo. Po dokonaniu pomiarów sporządziłem odpowiednie wykresy. Dokonałem analizy poszczególnych wykresów dotyczących:
-Fotorezystor
Charakterystyka prądowo-napięciowa I=f(U) jest liniowa zarówno przy zastosowaniu oświetlenia jak i bez oświetlenia, widać ,że ze wzrostem napięcia wzrasta prąd , fotorezystora przy stałym napięciu zasilającym ma charakter wykładniczy.
-Fotodioda
Charakterystyk prądowo-napięciowa I=f(U) nie zmienia się wraz ze zmianą napięcia, a świetlna rośnie wykładniczo ze wzrostem natężenia światła
-Fototranzystor
Charakterystyk prądowo-napięciowa I=f(U) ma charakter nieliniowy, wraz ze wzrostem napięcia wzrasta natężenie prądu po czym dalej ma charakter stały.
-Fotoogniwo
Wykres zależności I=f (Φ) fotoogniwa ma charakter wykładniczy.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
6064
6064
6064
6064
6064
6064
6064
6064
6064
więcej podobnych podstron