Теоретическое введение. Цель работы: изучение принципа работы фотоэлемента и определение его чувствительности.

 

Лабораторная работа 91

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: изучение принципа работы фотоэлемента и определение его чувствительности.

Приборы и материалы: Лабораторная установка для изучения зависимости фототока от освещенности, включающая в себя полупроводниковый фотоэлемент, лампочку накаливания, источник питания (понижающий трансформатор), стрелочный гальванометр. Лист миллиметровой бумаги.

Теоретическое введение

Фотоэлемент представляет собой устройство, в котором в результате поглощения энергии падающего на него света возникает ЭДС или электрический ток.

В фотоэлементах используется явление фотоэффекта, заключающееся в выбивании электронов с поверхности твердых тел под действием падающего излучения. Это явление носит название внешнего фотоэффекта.

Фотоэффект называется внутренним, если электроны не покидают твердое тело, а остаются внутри него в качестве свободных зарядов, участвующих в создании в нем электрического тока. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках. [ ] Энергия падающего на полупроводник света расходуется на перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости (см. [1]). Роль работы выхода электронов из тела при внешнем фотоэффекте играет здесь ширина запрещенной зоны полупроводника , которая определяет минимальную частоту света , ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота называется красной границей фотоэффекта и находится из условия:

.

В данной лабораторной работе исследуется сернисто-серебряный фотоэлемент, схематически изображенный на рис. 91.1. Верхний полупрозрачный электрод 1 представляет собой очень тонкий слой проводника (металлического серебра), нанесенный испарением в вакууме на слой полупроводника 3 (сернистого серебра). Между проводником и полупроводником образуется промежуточный слой 2, называемый запорным слоем. Запорный слой обладает свойством пропускать электроны только в одном направлении (в нашем случае от металла к полупроводнику), т.е. является электронным вентилем. При освещении фотоэлемента световая энергия частично поглощается электронами металлического полупрозрачного электрода, а частично - электронами полупроводника.

Благодаря вентильным свойствам запорного слоя энергетически обогащенные электроны при своем хаотическом движении чаще переходят из металла в полупроводник, чем в обратном направлении. Таким образом, падающий на фотоэлемент свет вызывает движение электронов внутри фотоэлемента от верхнего электрода 1 через запорный слой 2 к полупроводнику 3 и нижнему электроду 4. В результате этого на верхнем электроде фотоэлемента появляется избыточный положительный, на нижнем электроде – избыточный отрицательный заряд. В замкнутой цепи, изображенной на рис. 91.1, фотоэлемент выступает в роли источника тока (фототока), сила которого зависит от освещенности поверхности фотоэлемента – чем она больше, тем больше фототок. Количественной характеристикой этой зависимости служит чувствительность фотоэлемента . Она показывает быстроту изменения фототока с ростом интенсивности света и численно равна отношению приращения фототока к приращению светового потока , падающего на фотоэлемент:

. (91.1)

Световым потоком через поверхность называется энергия электромагнитного излучения , переносимая светом через эту поверхность за единицу времени:

. (91.2)

Световой поток, приходящийся на единицу поверхности при нормальном падении света, называется освещенностью этой поверхности:

. (91.3)

В свою очередь, освещенность выражается через силу света , испускаемого источником света:

, (91.4)

где расстояние от источника до освещаемой им поверхности.

Сила света измеряется в канделах*):

Кд;

освещенность – в люксах:

лк;

световой поток – в люменах:

лм.

Согласно (91.4), освещенность поверхности составляет 1 лк, если источник света силой 1 кд находится от нее на расстоянии 1 м:

1 лк = 1 кд / 1 м².

*) Единица силы света - кандела - является одной из основных единиц системы СИ. 1 Кд – сила света, испускаемого с поверхности м² полного излучателя в направлении нормали при температуре плавления платины К и давлении 101325 Па.

Такая освещенность наблюдается в случае, когда световой поток в 1 лм падает нормально на поверхность площадью 1 м²:

1 лк = 1 лм / 1 м².

Чувствительность фотоэлемента (ее среднее значение в некотором интервале освещенностей) можно найти по графику зависимости силы фототока от светового потока Ф (см. рис. 91.3):

.

Чувствительность измеряется силой фототока , выраженного в амперах (А), обусловленного световым потоком Ф в 1 лм. Единица ее измерения

А / лм.