Л/Р: Фоторезистор (Фотосопротивление)

13.1. Цель работы

Изучение явления внутреннего фотоэффекта и определение некоторых характеристик фоторезистора.

13.3. Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки показана на рис.13.3.



От стабилизированного источника питания напряжение подается на фоторезистор RF. Потенциометр R3 позволяет регулировать напряжение на фоторезисторе, которое измеряется вольтметром PV2. Фототок измеряется миллиамперметром PA2. Все регуляторы и шкалы измерительных приборов расположены на лицевой панели установки.

Источник света укреплен на выдвижной трубчатой штанге с делениями, что позволяет регулировать расстояние от источника света до фотосопротивления и, следовательно, световой поток, падающий на фоторезистор.

13.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов

13.4.1. Методика эксперимента

Световой поток Ф, падающий на светочувствительную поверхность S фотосопротивления, можно рассчитать на основании соотношения между основными фотометрическими величинами:




где Е — освещенность фоторезистора,
J — сила света источника,
r — расстояние от источника света до фотосопротивления.

Сила света источника J и площадь поверхности фотосопротивления S указаны на установке. Расстояние r от источника света до фотосопротивления регулируется степенью выдвигания трубки с делениями, на которой закреплен источник света. Из формулы (13.5) видно, что световой поток, падающий на фоточувствительный слой, зависит от расстояния r. Таким образом, передвигая источник света, можно менять величину светового потока, падающего на фоточувствительный слой.

Регулируя потенциометром R3 напряжение, подаваемое на фотосопротивление RF, при фиксированных значениях освещенности, снимаем зависимость силы тока от напряжения и строим вольтамперные характеристики.

Изменяя расстояние между фоторезистором и источником света при фиксированных значениях напряжения на фоторезисторе, снимается зависимость силы фототока от расстояния r и строим семейство световых характеристик.

13.4.2. Порядок проведения работы

1. Установите ручки потенциометров R1, R2, R3 в крайнее левое положение; переключатель рода работы — в положение «ФОТОРЕЗИСТОР»; тумблер осветителя должен стоять в положении «ВЫКЛ». Перемещая штангу осветителя в крайнее левое положение, установите минимальное расстояние между фотосопротивлением и источником света.
2. Для вольтметра PV2 и миллиамперметра PA2 определите цену деления и пределы измерения.
3. Включите установку в сеть.
4. Для построения темновой вольтамперной характеристики снимите зависимость силы темнового тока I_T через фотосопротивление от напряжения. Занесите в таблицу 13.1 значения силы тока для 10–12 значений напряжения от нуля до максимального значения.
5. Тумблером включите осветитель.
6. Для двух значений расстояния от источника света до фотосопротивления (по указанию преподавателя) снимите зависимость силы тока от напряжения. Используйте те же значения напряжения на фоторезисторе, что и в п. 4. Результаты измерений занесите в таблицу 13.1.
7. Для построения световой характеристики установите потенциометром R3 значение напряжения на фоторезисторе, указанное преподавателем. Измерьте значения силы тока для освещенностей, соответствующих всем указанным на штанге осветителя расстояниям.
8. Выполните измерения по п. 7 еще для двух значений напряжения, указанных преподавателем.

13.4.3. Обработка результатов измерений

1. По данным таблицы 13.1 постройте на миллиметровой бумаге семейство вольтамперных характеристик фотосопротивления, откладывая по оси абсцисс напряжение в вольтах, а по оси ординат — силу тока в миллиамперах.
2. По данным таблицы 13.2 постройте на миллиметровой бумаге семейство световых характеристик фотосопротивления, откладывая по оси абсцисс расстояние от осветителя до фоторезистора в метрах, а по оси ординат — силу тока в миллиамперах.
3. С помощью формул (13.3) и (13.5) рассчитайте интегральную чувствительность для нескольких наиболее характерных значений светового потока и напряжения.
4. С помощью закона Ома определите сопротивление фоторезистора при разных значениях освещенности и одном и том же напряжении. Рассчитайте кратность изменения сопротивления по формуле (13.1).

13.5. Список контрольных вопросов

1. Дайте определение внутреннего фотоэффекта. Чем отличается внутренний фотоэффект от внешнего?
2. Почему при освещении полупроводника его сопротивление уменьшается? Может ли сопротивление полупроводника неограниченно уменьшаться при увеличении освещенности?
3. Чем обусловлено наличие проводимости у неосвещенного полупроводника (темновой проводимости)?
4. При внесении в полупроводник даже небольшого количества донорной или акцепторной примеси его фотопроводимость может возрасти на несколько порядков. Почему?
5. Почему внутренний фотоэффект не наблюдается в металлах?
6. Почему фотопроводимость полупроводников наблюдается лишь в некотором спектральном интервале? От чего зависят границы этого интервала?
7. Что такое экситон? Участвуют ли экситоны в переносе зарядов в полупроводнике? Какие экспериментальные факты указывают на существование эксито-нов в полупроводнике?
8. Опишите конструкцию фотосопротивления. Почему толщина полупроводникового слоя не должна быть велика?
9. 9) Что такое вольтамперная характеристика фотосопротивления? Почему у фоторезистора вольтамперная характеристика обычно имеет линейный вид, а у фотодиода — нелинейный?
10. Что такое световая характеристика фотосопротивления? Поясните ход световых характеристик, полученных вами в лабораторной работе.
11. От чего зависит скорость рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике? Как сказывается эта зависимость на ходе световой характеристики фотосопротивления?
12. Как объяснить инерционность фотоэлектрических процессов в фоторезисторе? Предложите способ экспериментального определения характерного времени установления фотопроводимости.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3. – М.: Наука, Физматлит, 1987. – 320 с., §57–59, 65.
2. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1965.
3. Каганов М.И., Лифшиц И.М. Квазичастицы. М., Наука, Физматлит, 1989.