Imię i nazwisko	Ćwiczenie nr 4 Badanie elementów fotoelektrycznych
Kierunek i rok Fizyka Mag. Uzup. I	Ocena z kolokwium	Ocena ze sprawozdania	Ocena końcowa
Prowadzący ćwiczenia

WSTĘP TEORETYCZNY

Pasmowa teoria ciała stałego

Dział kwantowej teorii ciała stałego badający właściwości elektronów walencyjnych poruszających się w elektrycznym polu okresowym sieci krystalicznej. W kryształach dozwolone stany energetyczne elektronów mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów. Istnienie tych pasm jest efektem wzajemnego oddziaływania atomów tworzących kryształ, w wyniku czego dyskretne stany elektronowe poszczególnych atomów rozszczepiają się na bardzo dużą liczbę podpoziomów położonych blisko siebie. Pasma walencyjne (lub podstawowe) są zapełnione przez elektrony walencyjne. Pasma przewodnictwa (lub pasma wzbudzone), odpowiadające większym energiom, to pasma częściowo zapełnione (dla metali) oraz puste lub prawie puste (dla izolatorów i półprzewodników). Elektrony zajmujące stany w pasmach zapełnionych nie wnoszą wkładu do przewodnictwa elektrycznego. Natomiast elektrony w prawie pustym paśmie (półprzewodniki) lub częściowo zapełnionym paśmie przewodnictwa (metale) biorą udział w przewodnictwie elektrycznym. W izolatorach i półprzewodnikach pasmo przewodnictwa oddzielone jest od pasma podstawowego przerwą energetyczną (złożoną z poziomów niedostępnych dla elektronów). W metalach pasmo podstawowe nakłada się częściowo na pasmo przewodnictwa (dla izolatorów szerokość przerwy energetycznej E_g > 2eV, dla półprzewodników E_g < 2eV, dla metali E_g => 0). Ze struktury pasmowej ciał stałych wynika, że dla metali koncentracja elektronów swobodnych nie zależy od temperatury, dla izolatorów i półprzewodników koncentracja ta rośnie zaś wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury; idealna struktura pasmowa może być zakłócona przez domieszki lub czynniki zewnętrzne, takie jak pole magnetyczne.

Fotoprzewodnictwo

Zmiana przewodnictwa elektrycznego danego materiału na skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego. Zwykle zachodzi ono na skutek zjawiska fotoelektrycznego (wewnętrznego) i związane jest ze zwiększeniem koncentracji elektronów w pasmie przewodnictwa i dziur w pasmie walencyjnym.

Fotoprzewodnictwo istnieje dla półprzewodników i nadprzewodników (nadprzewodnictwo).

Zjawisko fotoelektryczne

Zjawisko fizyczne (związane z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom), polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw. zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne) lub na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Emitowane w ten sposób elektrony nazywa się czasem fotoelektronami. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła a jedynie od jego częstotliwości.

Aby zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne mogło zachodzić energia fotonów musi być większa lub równa energii pracy wyjścia elektronu z powierzchni np. metalu.

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.

Fotoelektryczne przyrządy półprzewodnikowe

Fotorezystor

Fotorezystorem nazywa się element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczuła) fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi, doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Strumień światła o odpowiedniej długości fali wywołuje generację par elektron dziura. Ta dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

Rys. Charakterystyka prądowo - napięciowa fotorezystora (dla różnych wartości natężenia oświetlenia).

Najczęściej można spotkać fotorezystory wykonane z takich materiałów jak: siarczek ołowiowy (PbS), samoistny albo odpowiednio aktywowany german (Ge) oraz siarczek kadmowy (CdS).

Fotodioda

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

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.

Charakterystyki zewnętrzne fotoogniwa zależą, zatem również od rezystancji obciążenia. Zależność tę obrazują charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa krzemowego przy różnych wartościach mocy promieniowania. Na wykres naniesiono także proste obciążenia, odpowiadające rezystancji R0. Przecięcie prostej obciążenia z odpowiednią charakterystyką daje punkt pracy fotoogniwa.

Fototranzystor

Fototranzystory są to tranzystory bipolarne, w których obudowie wykonano okno, umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza kolektor w kierunku zaporowym. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy. Jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza pn na granicy obszarów bazy i kolektora.

Oświetlenie obszaru bazy promieniowaniem o odpowiedniej długości fali powoduje pojawienie się w bazie fototranzystora dodatnich i ujemnych nośników prądu: dziur i elektronów. Zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje rozdzielenie nośników. Nośniki mniejszościowe pod wpływem pola elektrycznego na granicy baz 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, a zaporowa polaryzacja złącza baza kolektor powoduje ich przejście do obszaru kolektora i zwiększenie prądu kolektora.

Dioda elektroluminescencyjna

Diody elektroluminescencyjne, oznaczone skrótowo w polskiej nomenklaturze symbolem LED, są elementami elektronicznymi z jedną warstwą zaporową, które przy polaryzacji w kierunku przewodzenia emitują energię świetlną. Promieniowanie emitowane przez te diody jest wynikiem zjawiska promienistej rekombinacji

elektronów i dziur wstrzykiwanych przez złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody ma w kierunku przewodzenia gwałtowne zagięcie, powyżej którego ma przebieg bardzo stromy

Barwa światła emitowanego przez przyrządy półprzewodnikowe zależy od

materiału stosowanego do produkcji, od domieszkowania i technologii.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

W części praktycznej ćwiczenia miałam za zadanie zdjąć charakterystyki prądowo - napięciowe I=f(U) dla strumienia świetlnego Φ = 0; Φ
; Φ
, oraz charakterystykę świetlna I=f(Φ) przy zadanej wartości napięcia U. Punkty te wykonałam dla fotorezystora i fotodiody. Wyniki przedstawiłem w tabelach.

Fotorezystor

Charakterystyka prądowo - napięciowa Φ = 0 Φ = 20 [cm] Φ = 40 [cm] U [mV] I [μA] U [mV] I [μA] U [mV] I [μA] 1000 7,0 1000 1000 1000 880 900 6,1 900 970 900 780 800 5,4 800 830 800 680 700 4,6 700 740 700 610 600 3,9 600 630 600 520 500 3,3 500 520 500 440 400 2,7 400 410 400 350 300 2,0 300 300 300 260 200 1,3 200 210 200 180 100 0,7 100 100 100 80 Φ = 0 - żarówka (źródło światła) wyłączona; Φ = 20 [cm] - żarówka włączona i oddalona od fotorezystora na odległość 20 cm.

Charakterystyka świetlna I=f(Φ) U = 500 mV Φ [cm] I [μA] 5 900 10 680 15 560 20 500 25 400 30 370 35 360 40 350 45 300 50 280

Fotodioda

Charakterystyka prądowo - napięciowa Φ = 20 [cm] Φ = 40 [cm] U [mV] I [μA] U [mV] I [μA] 1000 8,7 1000 6,2 900 8,6 900 6,2 800 8,6 800 6,1 700 8,6 700 6,1 600 8,5 600 6,1 500 8,5 500 6,1 400 8,5 400 6,0 300 8,4 300 6,0 200 8,3 200 6,0 100 8,3 100 5,9 Ponieważ podczas wyłączonego źródła światła nie odczytałam przepływu prądu, więc nie umieściłam go w tabelce.

Charakterystyka świetlna I=f(Φ) U = 500mV Φ [cm] I [μA] 5 17,4 10 12,6 15 10,0 20 8,4 25 7,2 30 7,0 35 6,8 40 6,0 45 5,4 50 4,8

W kolejnej części ćwiczenia zdjęłam charakterystykę prądowo - napięciową I=f(U
) fototranzystora dla strumienia świetlnego Φ = 0; Φ
; Φ
, oraz charakterystykę świetlną fotogniwa U=f(Φ)

Fototranzystor	Fotoogniwo
Charakterystyka prądowo - napięciowa Φ = 20 [cm] Φ = 40 [cm] U [mV] I [μA] U [mV] I [μA] 1000 180 1000 116 900 178 900 114 800 178 800 114 700 178 700 114 600 178 600 114 500 178 500 112 400 176 400 112 300 170 300 110 200 110 200 74 100 12 100 20 Podobnie jak w przypadku fotodiody, przy wyłączonym źródle światła nie odczytałam przepływu prądu dla fototranzystora.	Charakterystyka świetlna U=f(Φ) Φ [cm] U [mV] 10 164 15 148 20 138 25 132 30 128 35 122 40 120 45 114 50 110

Sporządzam wykresy charakterystyk dla poszczególnych elementów, oraz nanoszę na wykresy słupki błędów. W tym celu obliczam niepewność pomiarową miernika korzystając ze wzoru:

Obliczam niepewność dla U:

( klasa = 1; zakres = 1000; Dz = 10)

∆U = 20 [mV]

Obliczam niepewność I dla fotorezystora:

Charakterystyka prądowo - napięciowa:

dla Φ = 0:

∆I ( klasa = 1; zakres = 10; Dz = 0,1)

∆I = 0,2[μA]

dla Φ = 20 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 1000; Dz = 10)

∆I = 20[μA];

dla Φ = 40 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 1000; Dz = 10)

∆I = 20[μA]

Charakterystyka świetlna:

∆I ( klasa = 1; zakres = 1000; Dz = 10)

∆I = 20[μA];

∆Φ = 5 [cm] (najmniejsza podziałka)

Obliczam niepewność I dla fotodiody:

Charakterystyka prądowo - napięciowa:

dla Φ = 20 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 10; Dz = 0,1)

∆I = 0,2[μA];

dla Φ = 40 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 10; Dz = 0,1)

∆I = 0,2[μA];

Charakterystyka świetlna:

∆I ( klasa = 1; zakres = 20; Dz = 0,2)

∆I = 0,4[μA];

∆Φ = 5 [cm] (najmniejsza podziałka)

Obliczam niepewność I dla fototranzystora:

Charakterystyka prądowo - napięciowa:

dla Φ = 20 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 200; Dz = 2)

∆I = 4[μA];

dla Φ = 40 [cm]:

∆I ( klasa = 1; zakres = 200; Dz = 2)

∆I = 4[μA];

Obliczam niepewność I dla fotoogniwa:

Obliczam niepewność ∆U
:

∆U ( klasa = 1; zakres = 200; Dz = 2)

∆U
= 4 [mV];

∆Φ = 5 [cm] (najmniejsza podziałka)

WNIOSKI

Celem ćwiczenia nr 4 było wyznaczenie charakterystyk prądowo - napięciowych oraz świetlnych elementów fotoelektrycznych takich jak: fotorezystor, fotodioda, fototranzystor oraz fotoogniwo. Po dokonaniu pomiarów i sporządziłam odpowie wykresy.

1. Z wykresu 1 wynika ze charakterystyka prądowo napięciowa fotorezystora bez oświetlenia ma charakter liniowy.

2. Z wykresu 2 wynika ze charakterystyka prądowo napięciowa fotorezystora oświetlonego ma charakter liniowy. Wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia wykres zależności I=f(U) kieruje się ku osi x (U). Wartości natężeń prądu dla strumienia Φ = 20 cm są większe niż dla strumienia Φ = 40 cm.

3. Z wykresu 3 wynika ze wykres zależności I=f (Φ) fotorezystora przy stałym napięciu zasilającym ma charakter wykładniczy.

4. Z wykresu 4 wynika ze wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia wykres przesuwa się ku niższym wartościom natężenia prądu.

5. Z wykresu 5 wynika ze wykres zależności I=f (Φ) fotodiody przy stałym napięciu zasilającym ma charakter wykładniczy.

6. Z wykresu 6 wynika ze wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia wykres przesuwa się ku niższym wartościom natężenia prądu.

7. Z wykresu 7 wynika ze wykres zależności I=f (Φ) fotoogniwa ma charakter wykładniczy.

Jakiekolwiek błędy mogą być spowodowane niedokładnością przyrządów pomiarowych lub błędami eksperymentatora.

1

---