Исследование селенового вентильного фотоэлемента и применение его для проверки законов освещенности

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №49

Исследование селенового вентильного фотоэлемента и

применение его для проверки законов освещенности

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, фотоэлемент, электрическая лампочка, микроамперметр, потенциометр, источник питания.

Цель работы: исследование характеристик селенового фотоэлемента  и использование его для проверки законов освещенности.

ВВЕДЕНИЕ

Действие вентильных фотоэлементов основано на свойствах электронно-дырочного или p- n перехода, т.е. границы между двумя полупроводниками, один из которых имеет электропроводимость n – типа (основные носители тока – электроны), а другой p – типа (основные носители тока – дырки).

При контакте между двумя полупроводниками с различными типами проводимости происходит диффузия дырок и электронов через границу и создается двойной электрический слой, т.е. уход дырок из p-области приводит к возникновению отрицательного объемного заряда, а уход электронов из n-области - к возникновению положительного заряда.

Двойной электрический слой создает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу основных носителей.

При освещении p–n перехода светом в прилегающих к нему областях создаются дополнительные электронно-дырочные пары. Вследствие этого не основные носители (электроны в p–области, дырки в n–области) будут свободно проходить через p–n переход, т.е. дырки будут втягиваться в p–область; а электроны в n–область. В p–области накопится избыточный положительный заряд, а в n–области отрицательный заряд, и между p– и n–областями возникает фото – ЭДС. Если такой фотоэлемент подключить к внешней нагрузке, то по цепи потечет фототок.

Таким образом, вентильные фотоэлементы представляют собой источники тока, непосредственно преобразующие световую энергию в электрическую. Селеновый фотоэлемент, используемый в данной работе, состоит из металлической пластинки (один электрод фотоэлемента), на которую нанесен слой селена с проводимостью (p- типа), т.е. дырочный. Вторым электродом является тонкий полупрозрачный слой золота, напыленный на селен. Часть атомов золота диффундирует в селен, в результате чего слой селена приобретает проводимость n– типа, т.е. электронную. Таким образом, внутри селена возникает p- n переход, способный при освещении генерировать фото - Э.Д.С.

Электрическая схема установки приведена на рис.17, а устройство фотоэлемента – на рис.18

                                                                Б

                                                             R

                                                               h

                                                   p

                                                                              мкА

Рис. 17

Одним из важнейших параметров любого фотоэлемента является его интегральная чувствительность g, определяемая как отношение приращения тока в цепи фотоэлемента Iф к приращению светового потока Ф, вызвавшего это приращение тока:

.                                        (1)

Интегральную чувствительность можно определить по световой характеристике фотоэлемента, т.е. зависимости силы тока от величины светового потока, падающего нормально на фотоэлемент

                                               Iф = ¦(Ф).                                            (2)

Фотоэлемент можно использовать для измерения освещенности, а значит и для проверки законов освещенности. Как известно, освещенность Е, создаваемая точечным источником, обратно пропорциональна квадрату расстояния r от источника до освещаемой поверхности и прямо пропорциональна силе света Iл источника и косинусу угла a между направлением светового потока (осью узкого корпуса, внутри которого распространяется поток) и нормально к освещаемой поверхности;

                                                                                      (3)                                                     

При этом между световым потоком и освещенностью существует соотношение:

                                                  Ф=E·S ,                                            (4)

где S – площадь освещаемой поверхности.

электрод

Au

 

 n – Se                                                                 p - Se

 

                                        электрод

Рис. 18

Порядок выполнения работы

1.Снятие световой характеристики и определение интегральной чувствительности фотоэлемента.                             

Установить фотоэлемент так, чтобы угол между падающими лучами и перпендикуляром к площади фотоэлемента был равен 0⁰, при этом ручка поворота фотоэлемента должна находиться на нулевой отметке угловой шкалы прибора (на расстоянии r =0,1 м от фотоэлемента) и записать силу фототока Iф. 

Меняя расстояние на Dr=0,04м, записать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу 1.

                                                                                             Таблица 1

№	r, м	Iф, мкА	r2, м2	Е, лк	Ф, лм
1.	0,10
2.	0,14
3.	0,18
4.	0,22
5.	0,26
6.	0,30

Для каждого расстояния вычисляем значение освещенности и светового потока по формуле

                                      ,                                   (5)

где  Ф - световой поток,

        Iл - сила света лампы,

        Е - освещенность,

        a- угол между нормалью к площадке и падающим световым потоком.

По данным таблицы 8 построить световую характеристику фотоэлемента I_Ф= f (Ф).

Найти по графику значение углового коэффициента

,

т.е. интегральную чувствительность фотоэлемента.

2.Проверка законов освещенности. Фотоэлемент можно использовать для иллюстрации зависимости освещенности Е от квадрата расстояния r² и от угла падения лучей a, т.к. величина фототока Iф ~E.

а) по данным таблицы 8 построить график зависимости

                                     Iф= f (r²);                                                       (6)

б) установить источник света на расстоянии r = 0,20 м. Опыт лучше проводить в параллельном пучке света. Для этого установить линзу на расстоянии 8 см относительно источника света.

Фотоэлемент установить так, чтобы угол a=0 (при этом ручка поворота фотоэлемента должна находиться на нулевой отметке угловой шкалы фотоэлемента) и записать показания микроамперметра. Затем, изменяя угол падения лучей  a на Da=15⁰, отметить показания микроамперметра. Данные записывают в таблицу 2.

                                                                                                      Таблица 2

№	a, град	Cos a	Iф, мкА
1.	0	1
2.	15	0,9659
3.	30	0,8660
4.	45	0,7071
5.	60	0,5
6.	75	0,2588
7.	90	0

По данным таблицы 8 построить график зависимости

                                            Iф=f (cosa).                                           (7)

Значения Iл, S указаны на установке.

Контрольные вопросы I

1.Как устроен p – n переход? Как образуется запирающий слой?

2.В чем состоит принцип действия вентильного фотоэлемента?

3.Объясните схему измерительной установки.

4.Что называется световой характеристикой?

5.Как рассчитать световой поток?

Контрольные вопросы II

1.В чем состоит явление фотоэффекта?

2.Как возникает фото -Э.Д.С.?

3.Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?

4. Сформулируйте закон освещенности.

ЛИТЕРАТУРА

1.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс физики т.3., § 36.

         2.Фриш С.Э., Тиморева А. В. Курс общей физики, т.3, § 331.

         3.Грабовский Р.И. Курс физики,  § 136.