что называется чувствительностью фотоэлемента

SNAU СНАУ

Определение чувствительности фотоэлемента. Снятие вольтамперной характеристики газонаполненного фотоэлемента (Лаб).

Цель: Ознакомиться со строением и принципом действия фотоэлементов, опытно-расчетным путем определить чувствительность фотоэлементу.

Студент должен знать и уметь: явление фотоэффекта, понятие о фотоэлементы, основы теории погрешностей, уметь оценивать погрешности прямых и косвенных измерений.

Приборы и оборудование: селеновый фотоэлемент с колпачком и диафрагмой, G — зеркальный гальванометр, L — осветитель с лампочкой накаливания, V — вольтметр, R — потенциометр, S — источник тока.

Краткие теоретические сведения.

Кванты света при взаимодействии их с некоторыми веществами могут вырвать из атомов этих веществ электроны, которые станут таким образом свободными. Эти электроны получили название фотоэлектронов, а само явление — фотоэлектрического эффекта.

Основное уравнение фотоэффекта представляет собой закон сохранения энергии. Это уравнение устанавливает связь между энергией кванта света (, что вызывает фотоэффект, работой, затрачиваемого на выход электрона из металла (А) и кинетической энергией вылетающих электрона .

Уравнение имеет вид:

(1)

Приборы, строение которых основана на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные) и фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающей слое. В данной работе используют селеновый фотоэлемент с запирающей слоем и газонаполненный фотоэлемент.

Селеновый фотоэлемент состоит из железной пластинки М, покрытой слоем селена А, на который нанесен сверху полупрозрачный слой золота или другого металла. На границе между селеном и золотым слоем образуется запирающих слой В. Если освещать селен, то гальванометр покажет наличие тока И в кругу. Электроны могут переходить только в одном направлении от селена к золоту; обратный переход для них закрыт. В таком фотоэлементе Лучистый энергия падающего света напрямую будет переходить в энергию электрического тока.

Чувствительностью фотоэлементу называется отношение величины тока , что дает фотоэлемент, до величины падающего на него светового потока Ф:

(2)

Чувствительность выражают . Преобразуем формулу (2), заменив Ф = ES, а :

(3)

— освещенность поверхности фотоэлементу при нормальном падении света

И — сила света лампочки накаливания.

— расстояние между источником света и фотоэлементом.

S — площадь светочувствительного слоя фотоэлементу, на которую падает световой поток,

Равна площади диафрагмы фотоэлементу.

Если d — диаметр диафрагмы, то:

(4)

Подставив (4) в (3), получим окончательную формулу для определения чувствительности фотоэлементу:

(5)

Последовательность выполнения работы

Собрать схему согласно рис.1,

Где ВА — оптическая скамья; Ф — селеновый фотоэлемент; G — зеркальный гальванометр;

L — осветитель; V — вольтметр; R — потенциометр; S — источник тока.

Рис. 1

2. Не включая лампочки, определить нулевую точку гальванометра (При открытом фотоэлементе), предварительно установив цену деления шкалы гальванометра.

3. Установить напряжение на лампочке 127 В, и поддерживать ее все время реостатом R (сила света лампочки при напряжении 127 В равна 10 кд.).

4. Фотоэлемент и источник света устанавливают друг от друга на таком расстоянии, чтобы гальванометр давал отклонение более чем на половину шкалы.

5. Открыв крышку фотоэлементу определяют по гальванометр величину фототока и и расстояние от фотоэлемента до лампочки. Сила фототока, создаваемая светом самой лампы:

6. Измерить диаметр D диафрагмы фотоэлементу.

7. Опыт повторить три раза, меняя понемногу .

8. Подставляя в формулу (5) значения , из трех опытов, определяют три значения для .

Источник

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 91

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Фамилия И.О. _________________ Группа __________ Дата ______

Введение

Фотоэлемент является прибором, преобразующим световую энергию в энергию электрическую. Сернисто-серебряный фотоэлемент относится к типу вентильных. Строение сернисто-серебряного фотоэлемента и схема его включения приведены на рис. 54.

Верхний полупрозрачный электрод (1) представляет собой очень тонкий слой металла, нанесенный испарением в вакууме на слой полупроводника (3). При этом между проводником и полупроводником (в нашем случае это серебро и сернистое серебро) образуется промежуточный слой (2), называемый запорным. Запорный слой обладает свойством пропускать электроны преимущественно в одном каком-то направлении, т.е. является своеобразным электронным вентилем. При освещении фотоэлемента светом световая энергия частично поглощается электронами металлического полупрозрачного электрода (1) и частично электронами полупроводника (3).

Благодаря вентильным свойствам запорного слоя (2), энергетически обогащенные электроны при своем хаотическом движении чаще переходят из полупрозрачного электрода (1) в полупроводник (3) (проводящее направление в запорном слое), чем в обратном направлении.

Таким образом, падающий на фотоэлемент свет вызывает движение электронов внутри фотоэлемента от верхнего полупрозрачного электрода (1) через запорный слой (2) к полупроводнику (3) и нижнему электроду фотоэлемента (4). В результате этого на верхнем электроде фотоэлемента (вследствие притока к нему электронов) появляется избыточный положительный заряд, а на нижнем электроде – отрицательный заряд. Следовательно, возникает разность потенциалов на электродах фотоэлемента и во внешней замкнутой цепи проходит электрический ток (фототок).

В этой лабораторной работе необходимо построить статическую характеристику сернисто-серебряного фотоэлемента, т.е. графическую зависимость

Здесь i _ф – фототок; Ф – световой поток, падающий на фотоэлемент в люменах.

Из этой характеристики можно определить среднюю интегральную чувствительность фотоэлемента, т.е. величину фототока, получаемого от фотоэлемента замкнутого на малое сопротивление при освещении его единицей потока белого света лампы накаливания. Чувствительность фотоэлемента (η) измеряется величиной фототока ( i ), выраженного в А и обусловленного световым потоком (Ф) в один люмен:

Фотоэлемент Ф, защищенный металлической трубкой от рассеянного света, укреплен неподвижно на деревянной подставке. Клеммы фотоэлемента соединены со стрелочным гальванометром Г (рис.55).

Внутри металлической трубки меньшего диаметра (не указанной на рисунке) находится электрическая лампочка силой света в 2 свечи.

Лампочка питается от понижающего трансформатора Тр. Металлическая трубка с лампочкой вставляется в защитную трубку фотоэлемента. Перемещая трубку с лампочкой внутри трубки с фотоэлементом, можно менять расстояние ℓ между лампочкой и фотоэлементом.

Минимальное расстояние от лампочки до фотоэлемента ( R ) указано на панели установки.

Порядок выполнения работы.

1. Тумблером Т_б включить трансформатор, питающий лампочку и, перемещая трубку с лампочкой внутри трубки с фотоэлементом, установить стрелку гальванометра на двадцатое деление шкалы.

2. Перемещая трубку с лампочкой, установить стрелку гальванометра последовательно на 18, 16, … 4, 2 деление шкалы. Для каждого значения фототока необходимо найти расстояние между лампочкой и фотоэлементом, для чего к начальному расстоянию R необходимо прибавить расстояние, на которое выдвинут стержень.

3. Все данные опыта записать в таблицу.

Число делений гальванометра

Расстояние от лампочки до фотоэлемента , м

Освещенность в лк, ,

Источник

Лабораторная работа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента и измерение его интегральной чувствительности.

Теоретические сведения

Внешний фотоэффект можно наблюдать в металлах. При освещении металла фотон поглощается электроном проводимости, при этом увеличивается кинетическая энергия электрона. Если энергия превышает работу выхода электрона, то электрон выходит из металла. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна:

, (12.1)

где hv — энергия фотона; А — работа выхода электрона; — кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Это уравнение получено в предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от друга, и поэтому изменение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к изменению энергии других электронов, т. е. фотон взаимодействует только с одним электроном.

Опытным путем были установлены три закона фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рисунок 12.1,а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него оставляют прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рисунке 12.1,б.

Рисунок 12.1 Рисунок 12.2

При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода и в цепи возникает ток, получивший название фототока. На рисунке 12.2 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Как видно из графика, сначала фототок линейно увеличивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее количество вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении все фотоэлектроны попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения. Сила тока насыщения линейно зависит от светового потока.

Основным параметром фотоэлемента является его чувстви тельность

где i — сила фототока насыщения; Ф — световой поток, вызвавший этот ток.

Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока. Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1 – 10 Па. Такие фотоэлементы называют газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа эмиттировавшими с катода электронами. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, полученные при ионизации газа.

Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 150 – 200 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии — для преобразования инфракрасного излучения организма в видимое.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводника. Если эта энергия hv больше ширины D W запрещенной зоны, то электрон переходит в чистом полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.

Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значение чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов, что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных устройствах, а также в фотометрической аппаратуре для измерения световых характеристик.

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна его интенсивности, так как она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, т. е. количеством фотонов.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается, в том, что для их работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов значительно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Она может достигать нескольких тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы изготовляют на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются для солнечных батарей, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике.

Интегральная чувствительность фотоэлемента находится по формуле:

Из закона фотометрии известно, что

где S — площадь освещаемой поверхности.

Освещенность, создаваемая точечным источником света, равна

где I— сила света источника; R — расстояние от источника света до фотоэлемента. Подставив (12.5) и (12.6) в формулу (12.4), получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:

(12.7)

Описание установки

Рисунок 12.3 Рисунок 12.4

Для определения чувствительности фотоэлемента собирают установку, изображенную на рисунке 12.4. На оптической скамье 3 установлены источник света 1 и фотоэлемент 2. В качестве источника света используют лампу накаливания с прямолинейной нитью накала. Лампа может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Угол поворота лампы измеряется транспортиром, укрепленным на подставке лампы. Фотоэлемент в футляре устанавливается на держателе, который может перемещаться вдоль оптической скамьи. На оптической скамье укреплена линейка для измерения расстояния между лампой и фотоэлементом. Сила тока, возникающего в фотоэлементе, определяется по микроамперметру 4. Освещенность Е на различных расстояниях от источника света определяют люксметром.

Порядок выполнения работы

1. Определение интегральной чувствительности селенового фотоэлемента:

а) не включая лампу, измерьте люксметром фоновую освещенность E_ф, располагая датчик люксметра параллельно поверхности фотоэлемента в непосредственной близости от нее;

б) расположите лампу на скамье так, чтобы нить накала была перпендикулярна поверхности фотоэлемента (при этом источник света можно приближенно считать точечным);

в) включите лампу и измерьте люксметром освещенность Е на трех разных расстояниях R от источника света;

г) определите силу света источника для каждого случая по формуле

д) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 12.1;

е) откройте крышку футляра фотоэлемента;

з) вычислите интегральную чувствительность k фотоэлемента для каждого случая по формуле (12.7) и найдите ;

и) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 12.2;

к) постройте график зависимости i = f (1 / R 2 );

л) вычислите погрешность D k определения чувствительности фотоэлемента.

2. Исследование зависимости силы фототока от положения нити лампы накаливания:

а) установите лампу на расстоянии 0,1 м от фотоэлемента. Измерьте силу фототока, поворачивая лампу относительно вертикальной оси на углы α от 0 до 180° через каждые 20°;

б) результаты измерений занесите в табл. 12.3;

в) постройте в полярной системе координат график зависимости силы фототока от угла поворота нити лампы i = f ( a ).

12.4 Контрольные вопросы

1.В чем заключаются явления внутреннего и внешнего фотоэффекта?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

5. Опишите устройство и принцип действия селенового фотоэлемента.

6. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?

7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента в данной работе?

Техника безопасности

Без разрешения преподавателя схему не включать.

Перед выполнением работы ознакомится с правилами обращения с приборами.

По окончании работы отключить приборы от сети.

Источник

Фотоэлементы и их характеристики

Фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, бывают двух видов – фотосопротивления (фоторезисторы) и вентильные фотоэлементы (фотодиоды, солнечные батареи).

Чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем у вакуумных фотоэлементов, в настоящее время они широко используются в устройствах сигнализации и автоматики.

Как известно, сопротивление проводников определяется геометрическими размерами и удельным сопротивлением вещества, проводящего электрический ток. Удельное сопротивление зависит от таких параметров вещества как концентрация и заряд носителей тока, а также их подвижность, определяющих удельную электропроводность:

, (2.2)

n – концентрация носителя

Подвижность носителей заряда определяет скорость их направленного движения (дрейфа) в электрическом поле. Исходя из закона Ома, записанного в дифференциальной форме, получаем выражение для плотности тока в проводнике:

(2.3)

Под воздействием света на полупроводник происходит дополнительная ионизация примесных атомов, приводящая к увеличению концентрации свободных носителей заряда, в n – типе такими носителями являются электроны, в p – типе – дырки. Вследствие этого удельное сопротивление уменьшается, т.е. наблюдается явление фотопроводимости.

К числу основных характеристик фотосопротивлений относятся вольт – амперные, световые и спектральные характеристики. Быстродействие фотосопротивлений описывается зависимостью чувствительности фотосопротивления от частоты прерывания светового потока.

Вольт – амперная характеристика выражает зависимость фототока I_Ф(при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения U.Для большинствафотосопротивлений в рабочем режиме эта зависимость линейна. При этом под фототоком понимают разность между световым I_Си темновым I_Ттоком: I_Ф = I_С— I_Т.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от падающего на фотосопротивление светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики фотосопротивления, как правило, нелинейны.

Спектральная характеристика выражает зависимость чувствительности фотосопротивления от длины волны света при постоянной величине светового потока и при постоянном приложенном напряжении.

Наиболее важным параметром любого фотоэлемента, в том числе и фотосопротивления, является чувствительность. При определении чувствительности фотосопротивления необходимо учитывать зависимость фототока от спектрального состава излучения и величины падающего светового потока, а также от величины приложенного напряжения. При этом различают удельную, спектральную, интегральную чувствительность и кратность изменения фотосопротивления.

Наиболее простой физический смысл имеет интегральная чувствительность. Из первого закона фотоэффекта (закона Столетова) известно, что величина фототока пропорциональна световому потоку.

Если ввести коэффициент пропорциональности γ, то можно записать равенство :

. (2.4)

Этот размерный коэффициент γ и представляет интегральную чувствительность, его размерность равна мкА/лм.

Поскольку, , то:

, (2.5)

т.е. в узком интервале освещенностей величина тока через фотосопротивление описывается выражением вида y = k x +b, представляющим уравнение прямой, заданной с помощью углового коэффициента. Этот коэффициент определяется как частная производная:

, или (2.6)

— изменение тока через фотосопротивление при изменении светового потока на величину ∆Ф. Если задать ∆Ф = 1 лм, то интегральная чувствительность γ будет численно равна ∆I_С ,т.е.изменению тока через фотосопротивление, вызванному световым потоком в 1 лм.

Спектральная чувствительность характеризует силу тока, возникающую под действием излучений в узком интервале длин волн. Спектральные характеристики наиболее распространенных фотосопротивлений приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Спектральные характеристики фотосопротивлений

на основе полупроводниковых соединений.

К наиболее распространенным типам сопротивлений относятся ФС-А1, ФС-А4 из PbS, ФС-Б2 из BiS, ФС-К1, ФС-К2, ФСК-М1, ФСК-М2 из GdS. Буква М в обозначении указывает на монокристаллическую основу ФС.

Фотосопротивления устанавливают в пластмассовый или металлопластиковый корпус, такой корпусированный фотоэлемент часто называют фоторезистором. Он представляет собой омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника, нанесенного на изолированную подложку, и содержащее два металлических электрода, соединенных с выводами.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковый слой, содержащий p-n – переход. Наиболее распространенными фотоэлементами до недавнего времени были селеновые, в настоящее время серийно производятся кремниевые фотодиоды и солнечные батареи.

Основными характеристиками вентильных фотоэлементов как и фоторезисторов являются вольт – амперная характеристика, световая характеристика, спектральная характеристика фоточувствительности, интегральная чувствительность фотоэлемента. Кроме того, важнейшими параметрами являются фото – ЭДС элемента и ток короткого замыкания, который рассчитывается по закону Ома для замкнутой цепи:

, (2.7)

– фото-ЭДС при заданной освещенности,

R_Ф – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

Внутреннее сопротивление фотоэлемента оказывается различным при различной освещенности фотоэлемента. Его можно определить, используя закон Ома и измерив силу тока в цепи фотоэлемента при различных сопротивлениях нагрузки.

, откуда: (2.8)

I – сила тока в цепи при сопротивлении нагрузки R_Н;

R_Н – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений);

R_A – сопротивление микроамперметра.

Вольт – амперная характеристика (ВАХ) вентильного фотоэлемента (фотодиода) при двух освещенностях приведена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Вольт – амперная характеристика вентильного

фотоэлемента при разных освещенностях

ВАХ p-n – перехода в отсутствии освещения может быть описана следующим выражением:

, (2.9)

где: I_S – ток насыщения неосвещенного p-n – перехода,

k – постоянная Больцмана,

e – заряд электрона,

T – абсолютная температура.

Знак “+” соответствует прямой ветви ВАХ, знак “ – ” относится к

обратной ветви (обратному направлению внешнего поля).

U – напряжение внешнего источника.

При освещении p-n – перехода светом увеличивается темп генерации неосновных носителей за счет дополнительной ионизации примесных атомов. Обратный ток заметно возрастает на величину I_Ф.Величина фото –ЭДС при этом также увеличивается. Таким образом вентильные фотоэлементы позволяют осуществить прямое преобразование лучистой энергии в электрическую, поэтому их иначе называют фотогальваническими элементами. Участок ВАХ, расположенный в IV квадранте наиболее информативен. Для снятия этого участка ВАХ не требуется внешнего источника тока. Фотоэлемент освещают постоянным световым потоком и подключают к сопротивлению нагрузки, которая меняется от 0 до ∞, измеряют падение напряжения на сопротивлении нагрузки и силу тока в замкнутой цепи. Такой режим измерений называется фотогальваническим. ВАХ вентильного элемента в фотогальваническом режиме можно построить по точкам, зная фото – ЭДС и силу тока в замкнутой цепи. Напряжение на сопротивлении нагрузки в рассчитывается по закону Ома :

(2.10)

Сила тока при этом измеряется при разных сопротивлениях нагрузки. Примерный вид ВАХ приведен на рисунке 2.8.

Источник