ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ (ФОТОРЕЗИСТОРЫ)

Федеральное агентство по образованию

Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

 

 

Кафедра: «Физика»

                                                                     Дисциплина: физика

 

Лабораторная работа № 1.04

 

«Исследование характеристик фотосопротивления»

 

Утверждена на методическом семинаре кафедры физики

 

Зав. кафедрой____________

 

 

Муром 2005

Техника безопасности

1.Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2.Не включать собранную схему, пока не изучите инструкцию по данной работе и не получите на это разрешения лаборанта или преподавателя.

3.Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показания с приборов. Категорически запрещается оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описание и инструкции.

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.

6. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.04

 

«ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ»

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

 Реостат в цепи осветителя на 4-6 Ом;

Амперметр переменного тока на 3 А;

Вольтметр на 30 В;

Амперметр на 750 мкА;

Реостат на 500-100 Ом, провода.

 

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Фотопроводимость полупроводников охватывает круг вопро­сов, связанных с изменением сопротивления полупроводников под действием света. По своей сущности фотопроводимость является одним из проявлений внутреннего фотоэффекта. Различаютнор­мальный фотоэффект, когда наблюдается увеличение фотопроводи­мости под действием света, ианомальный фотоэффект, при котором наблюдается уменьшение проводимости. Аномальный фотоэффект – явление крайне редкое.

Опытами доказано, что увеличение проводимости полупровод­ников под действием света связано с увеличением концентрации носителей тока, которая обусловлена выбиванием фотонами элект­ронов с заполненных уровней. Существует три основных процесса для увеличения концентрации носителей тока под действием света.

Падающие фотоны выбивают электроны из заполненной валентной зоны и сообщают им такую энергию, что электроны попадают в зону проводимости полупроводника. При этом возрастает число электронов в зоне проводимости и число дырок в валентной зоне, что ведет к увеличению собственной проводимости полупроводника (рис 1а). Такие переходы возможны, если энергия фотонов:

                           hv > E                                                          (1)

Зона проводимости      Зона проводимости    Зона проводимости

Под действием света электроны переходят с донорных уров­ней в зону проводимости (рис.16), что приводит к возрастанию электронной проводимости

полупроводника. Указанные переходы возможны, когда энергии фотонов

                                          h > E                                               (2)

Фотоны падающего света выбивают электроны из заполненной валентной зоны и переводят их на акцепторные уровни атомов примеси (рис1в). При этом возрастает число дырок в валентной зоне и увеличивается дырочная проводимость полупроводника. Условие возбуждения электронов в данном случае:

                                           h E                                                 (3)

Из соотношений (1), (2), (3) определяется красная граница фотопроводимости для рассмотренных процессов возбуждения электронов. После прекращения действия света возникшие под его влиянием носители тока рекомбинируют. В полупроводнике остаются только свободные носители тока, возбуждённые тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Эти носители тока обеспечи­вают проводимость в отсутствии освещения, которая называется темновой проводимостьюs ₀. Рассмотрим собственный полупроводник.

Его темновая проводимостьs ₀. Она равна

                          s = е (n U_n+ р U_p)=en (U_n+U_p)                                    (4)

Здесь е - элементарный заряд; n ,p  - концентрации электронов и дырок; U_n, U_p - их подвижность. Для собственного полупроводника n=p. Под действием света в единице объема по­лупроводника возникает n электронов и р дырок. Его проводимость оказывается равной

 

                            s = е( n + n ) ( U _n + U_p )                                             (5)           

Фотопроводимость полупроводника

                            s_ф= s - s ₀ =е n ( U_n - U_p )                                             (6)

 

Как видно из соотношений (1), (2), (3) энергия, необходи­мая для создания (генерации) свободных носителей тока под действием света зависит от энергии активации. Свободные носители, возникающие под действием света, называются фотоносителями (фотоэлектроны и фотодырки). Энергия активации зависит от природы полупроводника. Так в примесных полупроводниках ширина запрещенной зоны лежит в интервале от 0,05 до 0,5 электронвольт. В соответствии с этим красная граница фотопроводимости для них лежит в видимой и инфракрасной области. При освещении полупроводника светом с частотой _кр ( _кр-определя­ет красную границу фотопроводимости) часть энергии фотона рас­ходуется на перевод электрона в зону проводимости, оставшаяся часть ( h > E ) передается электрону в виде его кинетической энергии. Избыток кинетической энергии фотоэлектронов под средней энергией тепловых колебаний в кристалле идет на увеличение этих колебаний, т.е. на нагревание кристалла. Свет с частотой v>v_kp поглощается в очень тонком поверхностном слое полупроводника и не оказывает существенного влияния на процессы, происходящие в его объеме.

ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ (ФОТОРЕЗИСТОРЫ)

Фотосопротивление - это полупроводниковый прибор, в котором электрическое сопротивление изменяется под действием электромагнитного излучения. На рис.2 схематически изображено устройство фоторезистора. На изолирующую подкладку 1 наносится тонкий слой полупроводника 2.

Рис. 2

По краям этого слоя нано­сятся металлические элек­троды 3 (обычно напыленного в вакууме).

Фоторезистор обычно помещается в защитный корпус с открытым окошком, через которое освещается слой полупроводника. Для предохранения полупроводникового слоя от вредных воздействий внешней среды его покрывают прозрачным лаком. Фоторезистор включается в цепь последовательно с источником тока. В отсутствии освещения через фоторезистор проходит так называемый темновой ток I_т. При освещении фоторезистора ток в цепи возрастает. Ток, который появляется в цепи в результате освещения фоторезистора, называется фототоком. Сила фототока зависит от величины светового потока, падающего на фоторезистор, от длины волны падающего света, от температуры фоторезистора и от приложенного напряжения. Фоторезисторы обладают инерционностью. Определенная сила тока в цепи с фоторезистором при его освеще­нии устанавливается в цепи не мгновенно, а лишь через некоторый промежуток времени. Поэтому они мало пригодны в случае высокочастотной пульсации света.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОРЕЗИСТОРА

Для характеристики фоторезистора и возможной области его применения вводится ряд параметров. Важнейшими из них являются: интегральная и спектральная чувствительности, вольтамперная характеристика, рабочее напряжение, световая характеристи­ка, отношение темнового сопротивления r _т к световому R _ф и др. Световая характеристика фоторезистора нелинейная (рис.З).

Она выражает зависимость фототека от величины светового потока, падающего на фоторезистор. Эта зависимость может быть выражена формулой, в которой g и n зависят от свойств фоторезистора

I _ф = Ф ⁿ

                                                                  Рис. 3

Как правило, интегральной чувствительностью  называют чувствительность к световому потоку от стандартного источника света.

                                             = I _ф/Ф,                                                     (8)

где I _ф - фототок; Ф - световой поток.

Строго говоря, интегральная чувствительность определяется производной dI_ф/dФ в каждой точке световой характеристики. Поэтому интегральная чувствительность не является постоянной для данного фоторезистора. Она убывает с возрастанием светового потока. Спектральная чувствительность характеризуется величиной фототока при действии на фоторезистор единицы лучевого потока определенной длины при определенном приложенном к нему напряжении. Спектральные характеристики имеют обычно ярко выраженный максимум, соответствующий интервалу длин волн, к которому данное фотосопротивление наиболее чувствительно. ВАХ у большинства фоторезисторов имеют вид прямых, проходящих через начало координат.

Фототок I _ф, возникающий в фоторезисторе при данном напряжении определяется как разность тока при его освещении i_cb и темнового i_t тока.

                                          I _Ф = i_cb - i_t                                                (9)

Фоторезисторы находят широкое применение в автоматике и сигнализации, в системах контроля за качеством обработки поверхностей, в оптической спектроскопии и др. областях науки и техники.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для исследования характеристик фоторезистора имеется спе­циальная установка. Труба с откидной крышкой укреплена на подставке. На одном конце трубы наглухо вмонтирован осветитель Л (лампочка), которая подключается к источнику постоянного напряжения на 6В через реостат на 4-6 Ом. В цепи осветителя включается амперметр на 3А. Вдоль трубы может перемещаться специальный держатель, на котором закреплен фоторезистор. К клеммам фоторезистора припаяны два провода для подключения к цепи постоянного тока с ЭДС на 30 В.

---

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 94; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!