laba_312
.doc
ПГУПС
Кафедра физики
Лабораторная работа № 312
«Определение электродвижущей силы фотоэлемента с запирающим слоем»
Выполнил: Гройзман П.В.
ПВТ-011
2001год.
Цель работы:
Задачей настоящей работы является измерение фото - ЭДС Еф и фототока Iф, возникающих в селеновом фотоэлементе под действием света. Изменяя освещённость Е поверхности фотоэлемента, т.е. мощность светового потока на единицу площади поверхности, исследуют зависимость Еф и Iф от освещённости Е и строят графики этих зависимостей. При относительно небольших освещённостях Еф и Iф пропорциональны Е.
Краткое теоретическое обоснование:
Различают три вида фотоэлементов:
-
Внешний фотоэффект - вырывание светом из твёрдых и жидких веществ электронов.
-
Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) - увеличение электропроводимости полупроводников и диэлектриков за счёт возрастания в них под действием света числа свободных носителей тока.
-
Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое) – возникновение ЭДС вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи поверхности контакта между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками с разными типами электропроводности.
В зависимости от вида фотоэффекта, на котором основано действие фотоэлемента, различают: вакуумные фотоэлементы (внешний фотоэффект), фотосопротивления (внутренний фотоэффект), вентильные фотоэлементы (вентильный фотоэффект). В настоящей работе исследуется селеновый вентильный фотоэлемент.
Устройство и принцип действия селенового вентильного фотоэлемента:
Поток
света
А К
n
- селен P-N
переход
р
- селен
Электродами фотоэлемента служат железо и золото. Железный электрод А изготавливается в виде подложки толщиной около 1 мм. Золото напыляется на селен в виде тонкого полупрозрачного слоя К (катодное распыление), пропускающего свет и обеспечивающего удовлетворительную электропроводность. Слой селена подвергается термической обработке с целью создания в его слое p-n перехода. Внутри селена образуется запирающий слой, пропускающий электроны только в одном направлении.
При освещении золотой плёнки свет проходит через этот полупрозрачный электрод и попадает на селен. Если энергия фотона (- постоянная Планка, - частота света) достаточна для образования пары электрон – дырка, то при поглощении потока фотонов вследствие вентильной проводимости p – n перехода между электродами возникает фото – ЭДС.
Если цепь замкнута, то фото – ЭДС вызовет ток, который будет идти до тех пор, пока освещается фотоэлемент.
Схема установки:
E
K2
+
M
-
Ro
K1
+
-
F - фотоэлемент
G - гальванометр
Е - элемент, создающий падение напряжения на Ro
M - магазин сопротивлений
mA - миллиамперметр, измеряющий ток в цепи элемента
Ro - эталонное сопротивление
К1 и К2 – ключи.
Таблица измерений:
Номер изме-рения |
Рас-стояние r см. |
Освещённость Е |
Фототок Iф |
Ток i в цепи элемента Е |
Фото – ЭДС Еф, Вольты |
|||
фоты |
люксы |
деления |
mA |
деления |
mА |
|||
1 |
50,0 |
0,00840 |
84,00000 |
53 |
21,2 |
6,0 |
2,1 |
0,212 |
2 |
47,5 |
0,00931 |
93,07479 |
54 |
21,6 |
6,5 |
2,3 |
0,216 |
3 |
45,0 |
0,01037 |
103,70370 |
55 |
22,0 |
7,0 |
2,5 |
0,220 |
4 |
42,5 |
0,01163 |
116,26298 |
56 |
22,4 |
8,0 |
2,8 |
0,224 |
5 |
40,0 |
0,01313 |
131,25000 |
58 |
23,2 |
10,0 |
3,5 |
0,232 |
6 |
37,5 |
0,01493 |
149,33333 |
59 |
23,6 |
10,5 |
3,7 |
0,236 |
7 |
35,0 |
0,01714 |
171,42857 |
60 |
24,0 |
11,0 |
3,9 |
0,240 |
8 |
32,5 |
0,01988 |
198,81657 |
61 |
24,4 |
15,0 |
5,3 |
0,244 |
9 |
30,0 |
0,02333 |
233,33333 |
63 |
25,2 |
16,0 |
5,6 |
0,252 |
10 |
27,5 |
0,02777 |
277,68595 |
64 |
25,6 |
18,0 |
6,3 |
0,256 |
11 |
25,0 |
0,03360 |
336,00000 |
65 |
26,0 |
23,0 |
8,1 |
0,260 |
12 |
22,5 |
0,04148 |
414,81481 |
67 |
26,8 |
28,0 |
9,8 |
0,268 |
Дополнительные данные:
Сила света источника – 21 свеча, Сопротивление R0 - 10 Ом, Цена деления гальванометра – 3.5*10-4 А, Шкала миллиамперметра – 30 мА, количество делений –75.
Расчетные формулы:
Для расчёта использовались следующие формулы:
,
где ф – фото – ЭДС, i – сила тока в цепи элемента , R0 – сопротивление, подключённое параллельно с источником ЭДС.
,
где E – освещённость фотоэлемента, J – сила света источника, r – расстояние до источника.
С использованием этих формул были заполнены все недостающие столбцы таблицы.
Вывод:
Таким образом мы можем наблюдать прямопропорциональную зависимость фото-ЭДС и фототока от освещённости.
Графики: