Порядок виконання роботи:

1. Ознайомтеся з приладами і установкою, зберіть електричне коло за схемою (рис .1,2), застосовуючи джерелом струму випрямляч на 220 В.

2. Установіть джерело світла на відстані 35см від фотоелементу. Установіть найменшу напругу на потенціометрі R, включіть джерело світла в мережу, відкрийте ковпачок фотоелементу і запишіть значення струмів, підвищуючи потенціометром напругу від 0 через 5-10В до максимальної, допустимої діапазоном струмів, вимірюваних мікроамперметром.

Рис .1

3. Виконайте вимірювання за пунктом 2 для відстаней 25 та 15см між лампою та фотоелементом.

Рис.2

4. Результати вимірювань занесіть до таблиці. В одній координатній системі I=f(U) побудуйте на міліметровому папері три вольт-амперні характеристики фотоелемента.

№	U	I для 15 см	I для 25 см	I для 35 см
1 2 … 30

Дайте відповіді на запитання:

1. Які характерні особливості вольт-амперної характеристики вакуумного фотоелемента?

2. Які причини виникнення струму насичення?

3. Як залежить сила струму насичення від величини падаючого на фотоелемент світлового потоку?

Лабораторна робота № 46.

Визначення чутливості напіпровідникового фотоелементу.

Прилади та приладдя: установка з селеновим фотоелементом, мікроамперметр, джерело світла, трансформатор.

Мета роботи: вивчення принципу роботи напівпровідникових фотоелементів і визначення їх чутливості.

Коротка теорія та методика вимірювань

Напівпровідниковий фотоелемент можна схематично представити таким, що складається з приведених до контакту напівпровідників р – і n - типів і двох електродів (рис.1). Електрони (чорні крапки) із n- напівпровідника і дірки (кружки) із р-напівпровідника дифундують через контактний шар і закріпляються на атомах домішки (+ і -) до тих пір, доки виникаюча і зростаюча різниця потенціалів не перешкодить їх подальшому переходові. В результаті цього контактний шар у n - напівпровідника заряджається позитивно, а у р-напіпровідникові - негативно. На грані цих напівпровідників (у р–n-переході) утворюється так званий подвійний електричний шар товщиною 1 (рис.1,а), що створює поле напруженістю Е, спрямоване від n-напівпровідника до р-напівпровідника.

Товщина шару має порядок 10 ^-5см, контактна різниця потенціалів у шарі порядку 0,1 – 0,5В. Таку різницю потенціалів (потенціальний бар’єр) можуть подолати тільки електрони, що мають велику кінетичну енергію, відповідну кільком тисячам градусів. При нормальній температурі шар 1 є непроникним (має надвеликий опір) для переходу електронів у напрямку від n до р, а дірок - від р до n. В зв’язку з цим пограничний шар називають запираючим, а фотоелементи, дія котрих основана на його використанні, носять назву фотоелементів з запираючим шаром. Важливою характерною особливістю електричного поля в області контакту є те, що воно виштовхує в область контакту електрони в n -напівпровідник, а дірки - в р-напівпровідник.

При опроміненні приконтактного шару світлом, енергія фотонів якого достатня для відриву електрона від атому, в напівпровідникові утворюються вільні електрони і дірки. Явище відриву електронів від атомів внаслідок поглинання ними світла називається фотоефектом . Якщо процес завершується виходом електронів за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім, якщо ж електрони залишаються всередені речовини - внутрішнім.

Рис. 1

На рис.1,б показано утворення електронів і дірок при освітленні n- напівпровідника. Фотони зображені стрілками. В даному випадку при освітленні напівпровідника внутрішній фотоефект призводить до виникнення вільних електронів і дірок незалежно від того, який напівпровідник освітлюється. Електрони і дірки, що вивільнилися в результаті дифузії, досягають області контакту. Електричне поле виштовхує електрони назад в n -напівпровідник, а дірки перекидаються в р-напівпровідник. В результаті в n - напівпровіднику концентруються електрони, і він заряджається негативно, а на р-напівпровідникові концентруються дірки, і він заряджається позитивно. Між шарами напівпровідників утворюється різниця потенціалів, яка є ЕРС фотоелементу. При замиканні електродів фотоелемента на зовнішнє коло у ньому піде електричний струм (фотострум), величина якого пропорційна кількості дірок, що утворюються в одиницю часу і дифундують через контактний шар. Фотострум приблизно пропорційний падаючому на фотоелемент світловому потокові.

Напівпровідникові фотоелементи є безпосередніми перетворювачами світлової енергії в електричну. Для одержання великих ЕРС і струмів ці фотоелементи збирають у батареї на загальному каркасі, з’єднуючи їх в групи послідовно та паралельно. Батареї, зібрані з напівпровідникових фотоелементів та призначені для використання випромінювання Сонця, дістали назву сонячних. Сонячні батареї мають широке застосування.

В даній роботі вивчається селеновий фотоелемент. Він складається (рис .2) із сталевої пластинки 1, що є одним з електродів, покритої тонким шаром селену 2 з дірковою провідністю. Зверху селену шляхом розпиленння нанесений тонкий напівпрозорий шар срібла 3, що слугує другим електродом. В процесі напилення атоми срібла проникають в прилягаючий шар селену і надають йому електронної провідності; між верхнім та нижнім шарами селену утворюється запираючий шар. Фотоелемент міститься в пластмасовому відкритому зверху корпусі 4, на якому закріплені затискачі, з’єднані з електродами.

Важливою характеристикою фотоелемента є його чутливість. Чутливістю фотоелемента називають відношення величини струму - і, що дає фотоелемент, до величини падаючого на нього світлового потоку Ф

γ = i / Ф. (1)

Чутливість звичайно виражають в мікроамперах на люмен. Світловий потік визначають як добуток освітленості на площу світлочутливого шару фотоелемента: Ф = ES. Освітленість поверхні фотоелемента пропорційна силі світла I, обернено пропорційна квадрату відстані r від джерела світла до фотоелемента і залежить від кута падіння променів α на освітлювану поверхню

E = I cosα / r². (2)

При нормальному падіння променів на фотоелемент косинус дорівнює 1, і чутливість фотоелемента може бути подана як

γ = i / Ф = i r² / IS.

Рис. 2 Рис. 3

Якщо D - діаметр діафрагми, відкриваючої світлочутливий шар на поверхні фотоелемента, то S=πD²/ 4, і чутливість фотоелемента подається співвідношенням

γ = . (3)