Кванты света при взаимодействии их с некоторыми веществами могут вырвать из атомов этих веществ электроны, которые окажутся таким образом свободными. Эти электроны получили название фотоэлектронов, а само явление – фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект устанавливает связь между электрическими и оптическими явлениями. В зависимости от «судьбы» вырванных электронов различают три вида фотоэффекта:

1) если фотоэлектроны не покидают пределов тела, имеет место внутренний фотоэффект;

2) если фотоэлектроны вылетают из тела – внешний фотоэффект;

3) в том случае, когда фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводник) или жидкость (электролит), явление называется вентильным фотоэффектом.

Приборы, действие которых основано на явлениях фотоэффекта, называются фотоэлементами.

Полупроводниковые фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, называются фотосопротивлениями. Внутренний фотоэффект, наблюдаемый в кристаллических полупроводниках, заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням за счет энергии поглощенных световых квантов. 

В беспримесном полупроводнике зона проводимости не содержит электронов, а лежащая ниже ее следующая (валентная) зона целиком заполнена электронами.

                                                                           Зона проводимости

                                                                           Валентная зона

Рисунок 1 – Схема перехода электрона между зонами

Разность между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации.

Если энергия фотона , то при поглощении фотона электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, под действием света в зоне проводимости появятся электроны, а в валентной зоне – «положительные дырки». Эти пары разноименно заряженных носителей тока способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Следовательно, электропроводность освещенного полупроводника увеличивается.

Чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем у фотоэлементов, в которых используется внешний фотоэффект. Фотосопротивления широко используются для сигнализации и автоматизации, а также для обнаружения и изменения светового излучения.

К числу основных характеристик фотосопротивлений относятся вольт - амперные, световые, спектральные характеристики.

Вольтамперная характеристика выражает зависимость силы фототока I_ф (при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения U. Для большинства фотосопротивлений в рабочем режиме эта зависимость практически линейная.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от падающего на фотосопротивление светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики фотосопротивлений нелинейные.

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

Одним из наиболее важных параметров фотосопротивления является удельная чувствительность.

Удельной чувствительностью фотосопротивления называется физическая величина, численно равная отношению величины возникающего фототока I_ф к произведению падающего светового потока Ф на приложенное к фотосопротивлению напряжение U:

                                                                                                         (1)

[ ] = .

Световой поток Ф = ЕS,                                                                        (2)

где: Е – освещенность фотосопротивления;

S – площадь освещаемой поверхности фотосопротивления.

Освещенность:                        ,                                                          (3)

где: I – сила света источника, выраженная в канделах (кд) ;

r – расстояние от фотосопротивления до источника света.

Подставляя выражения (2) и (3) в (1), получим:

                                                                                                        (4)

Так как  (  - диаметр окна фотосопротивления), то формула (4) примет вид :

                                                                                                    (5)

Фотосопротивление представляет собой обычное омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника, нанесенного на изолирующую подкладку и заключенного между двумя токопроводящими электродами. Приемная площадь фотосопротивления обычно защищается пленкой прозрачного лака и выполняется в виде квадрата, прямоугольника или круга.

Порядок выполнения работы

1. Собрать цепь, как показано на рисунке (1).

2. Установить лампу накаливания на некотором расстоянии r₁ от фотосопротивления ФС (указание дает преподаватель).

3. Увеличивая напряжение на фотосопротивлении от 0 до 80 В через каждые 10 В, измеряют величину фототока I_ф.

4. Повторить измерения (пункты 2 и 3) для двух других расстояний r₂ и r₃ от фотосопротивления до лампы накаливания.

5. Результаты измерений занести в таблицу.

6. Построить графики зависимостей фототока от напряжения при разных световых потоках.

7. По формуле (5) рассчитать удельную чувствительность фотосопротивления. Сила света I лампы накаливания и диаметр окна фотосопротивления D указаны на установке.

Таблица 1. Результаты измерений и расчетов

                                                                                              ФС

                                                                                                                 Л

~ 220

Рисунок 1- Схема лабораторной установки

Контрольные вопросы

1. Что называется фотоэффектом?

2. Какие виды фотоэффекта Вам известны?

3. Что такое фотоэлемент, фотосопротивление? Объясните на основе зонной теории проводимость фотосопротивления.

4. Перечислите и дайте определения основных характеристик фотосопротивления.

5. Что называется удельной чувствительностью фотосопротивления? В каких единицах она измеряется?

6. Где используются фотосопротивления?

Литература [ 3,6,7]

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32