Цель работы – изучение вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фоторезистора.
Краткое теоретическое введение
Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием света. Конструктивные элементы фоторезистора показаны на рис. 1. На изолирующую подложку 1 наносится тонкий слой полупроводника 2 (фоточувствительный слой), по краям которого наносятся металлические электроды 3. Для защиты фоточувствительного слоя его покрывают тонким слоем лака, прозрачного в области спектральной чувствительности материала. Резистор помещают в защитный корпус с открытым окошечком. Электроды 3 соединяют с выводными клеммами, которые подключают к источнику напряжения (рис. 1).
Наиболее распространены фоторезисторы, изготовленные из сульфида свинца, сульфида кадмия, сульфида висмута и селенида кадмия. Они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе в схемах для регистрации светового потока, интенсивности света и его спектрального состава. Их применяют в фотопирометрах, рефрактометрах, фотокалориметрах, дымномерах и т.д. Они широко применяются в фотоэлектронной автоматике и телемеханике, в которой различные сочетания фотоэлементов и усилителей, реагируя на световые потоки, оказывают действие на системы управления и регулирования различных промышленных установок.
Под действием света в полупроводнике генерируются свободные носители заряда. Это явление называется внутренним фотоэффектом, а дополнительная проводимость, приобретенная полупроводником под действием света, называется фотопроводимостью. Рассмотрим это явление на примере собственного (химически чистого) полупроводника.
При температуре абсолютного нуля (
) все энергетические уровни валентной зоны (ВЗ) заняты электронами, а зона проводимости (ЗП) свободна (рис. 2а). Для образования свободных носителей тока электронам валентной зоны необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны (ЗЗ) шириной
. Поэтому при отсутствии освещенности (в темноте), при
При нагревании полупроводника из-за теплового возбуждения атомов отдельные электроны получают дополнительную энергию, достаточную для перехода в зону проводимости (рис. 2б). При определенной температуре в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов в зоне проводимости
и дырок в валентной зоне
. Электропроводность полупроводника
– подвижности электронов и дырок соответственно;
При освещении полупроводника наряду с термической ионизацией появление свободных носителей обусловлено внутренним фотоэффектом. Поглощая квант света энергией
, атом ионизируется, и один из его валентных электронов переходит в зону проводимости (рис. 2в), а в валентной зоне возникает дырка. Такой переход электрона будет возможен, если энергия фотона равна или немного больше ширины запрещенной зоны:
По аналогичной схеме процесс фотоионизации протекает и в примесных полупроводниках. В донорных полупроводниках фотоны переводят электроны с донорных уровней в зону проводимости (рис. 3а), а в акцепторных – вызывают переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни (рис. 3б). В первом случае возрастает концентрация свободных электронов, во втором – концентрация дырок. Процесс примесной фотоионизации происходит при условии
Кроме процессов генерации свободных носителей зарядов, имеет место и обратный процесс – их рекомбинация. Средний промежуток времени от момента генерации носителя до его рекомбинации называется временем жизни. Обозначим
, соответственно, времена жизни электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Пусть в единицу времени в единице объема собственного полупроводника генерируется
пар носителей заряда. Тогда, если интенсивность света не меняется с течением времени, значения избыточных концентраций электронов
Генерация пар «электрон-дырка» пропорциональна количеству квантов света, поглощенных в единицу времени в единице объема,
– коэффициент поглощения,
– квантовый выход, т.е. число пар «электрон-дырка», создаваемых одним квантом, или число носителей заряда одного знака в примесном полупроводнике (рис.3). Для используемого диапазона энергий фотона в нашей работе
Таким образом, под действием света концентрации электронов и дырок в полупроводнике изменятся и станут равными
, а электропроводность
С учетом (1)
где второе слагаемое
или с учетом (3)
Отсюда видно, что кинетика фотопроводимости определяется временем жизни. В полупроводниках, из которых оказалось возможным изготовить фоторезисторы, носители заряда обладают достаточно большим временем жизни (
Если к фоторезистору приложить напряжение U, то будет возникать световой ток
– темновой ток;
Интегральная удельная чувствительность
создается при освещении фоторезистора светом от лампы накаливания с вольфрамовой нитью, имеющей температуру в пределах
Основными характеристиками фоторезистора являются: вольт-амперная, световая и спектральная.
1. Вольт-амперной характеристикой называется зависимость силы тока (фототока), протекающего через фоторезистор, от приложенного напряжения при постоянном световом потоке
В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Вольт-амперная характеристика как в отсутствие света, так и на свету имеет линейный характер. Это видно из уравнения (8), т.к.
при постоянных температуре и световом потоке не зависят от приложенного напряжения.
2. Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения
Световая характеристика является нелинейной. Это объясняется тем, что с ростом светового потока растет концентрация генерируемых носителей заряда
, но возрастает и вероятность их рекомбинации, и, как следствие этого, уменьшаются времена жизни
На рис. 4 дан вид световых характеристик фотосопротивления при различных напряжениях (
фотосопротивления убывает с ростом светового потока (9), однако она в сотни и тысячи раз больше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.
3. Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны падающего излучения при постоянной освещенности
Фототок появляется, начиная с длины волны
, что соответствует формуле (2а),
– длинноволновая граница поглощения или край собственного поглощения. Следовательно, зависимость фототока от длины волны должна иметь вид ступени (пунктир на рис.5). Но такая зависимость возможна лишь при абсолютном нуле. При увеличении температуры тепловое движение «размывает» край собственного поглощения (сплошная кривая на рис.5). Длина волны
определяется по спаду кривой. В случае примесного полупроводника
У реальных фоторезисторов наблюдается уменьшение фототока в области коротких длин волн (
), хотя энергии квантов этого света более чем достаточно для возникновения фотопроводимости. Это связано с тем, что с уменьшением
возрастает коэффициент поглощения
, и вся световая энергия поглощается не в объеме, а лишь в тонком поверхностном слое полупроводника. При этом толщина слоя тем меньше, чем меньше длина волны падающего света. Поскольку при заданной освещенности
генерация неравновесных носителей заряда пропорциональна коэффициенту поглощения
На рис.6 показана зависимость коэффициента поглощения (сплошная кривая) и фотопроводимости (пунктирная кривая) от длины волны
Таким образом, каждый фоторезистор характеризуется длиной волны, соответствующей минимуму спектральной чувствительности. По типу спектральной характеристики они делятся на фоторезисторы для видимой и для инфракрасной части спектра.
1. Приборы и описание установки
Схема установки приведена на рис. 7. Внешний вид – на рис. 8. Установка состоит из цилиндрического корпуса, трубы Т, на концах которой имеются насадки. В одной насадке расположена лампа накаливания Л на 6 В, в другой – фоторезистор ФР. В этой же насадке имеется щель Щ для светофильтра. Регулировка напряжения
на фоторезисторе (ФР) и напряжения
2. Порядок выполнения работы и обработка
В данной работе снимаются вольт-амперная, световая и спектральная характеристики фоторезистора.
Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики.
1. Задать напряжение накала лампы
2. Изменяя напряжение на фоторезисторе
3. Задать другое напряжение накала лампы
(указано на установке) и повторить все измерения п. 2.
4. Результаты измерений занести в табл. 1.
5. По данным эксперимента построить вольт-амперные характеристики для двух значений напряжения накала лампы.
Задание 2. Снятие световой характеристики. Для получения ее необходимо измерить ток, текущий через фоторезистор при изменяющемся световом потокеФ. Не измеряя непосредственно световой поток, можно судить об относительном изменении светового потока по относительному изменению напряжения накала на лампе. Для данного фоторезистора
– напряжение накала на лампе,
– начальное напряжение накала на лампе, которому отвечает некоторое значение светового потока.
Для снятия световой характеристики необходимо:
1. Задать по вольтметру V1 на фоторезисторе напряжение
2. Снять зависимость фототока
3. Выставить по вольтметру V1 на фоторезисторе напряжение
4. Результаты измерений занести в табл. 2.
5. По данным эксперимента, для двух значений U (
) построить световые характеристики, т.е. зависимость фототока I от относительной величины светового потока
Задание 3. Снятие спектральной характеристики. Для ее получения фоторезистор освещают монохроматическим светом и измеряют соответствующий ток. Монохроматический свет в работе получают с помощью светофильтров с одинаковым коэффициентом пропускания. Светофильтры помещаются перед фоторезистором в специальную щель Щ (рис.7, 8), имеющуюся во второй насадке.
Для снятия спектральной характеристики необходимо:
1. Выставить по вольтметру V2 напряжение накала лампы
(указано на установке) и по вольтметру V1 напряжение на фоторезисторе
(указано на установке), которые должны быть постоянными в течение измерений.
2. Последовательно помещать в щель Щ различные светофильтры и по микроамперметру измерять величину фототока.
3. Результаты измерений занести в таблицу 3.
4. По данным эксперимента построить спектральную характеристику, зависимость
По всем результатам эксперимента сделать вывод.
1. Что такое внутренний фотоэффект? Где и когда он наблюдается?
2. Как устроен фоторезистор? Где он находит применение?
3. Объясните механизм образования фотопроводимости.
4. Что такое собственная проводимость полупроводника?
5. Как возникает электронная и дырочная проводимости?
6. Почему при
«размывается» край собственного поглощения?
7. Чем объясняется наличие темнового тока.
8. Объясните линейный характер вольт-амперной характеристики.
9. Объясните характер световой характеристики.
10. Объясните характер спектральной характеристики в собственной и примесной области поглощения.
11. Почему у металлов не наблюдается внутренний фотоэффект?
12. Что такое рекомбинация и время жизни носителей заряда?
13. Почему наблюдается уменьшение фотопроводимости при уменьшении l?
1. Трофимова Т.И. Курс физики.
2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6-3
1.Принцип действия
и конструкция фоторезистора.
3.Основные параметры
и характеристики.
4.
Схемы включения фоторезисторов
Область
применения каждого типа фоторезистора
определяется его свойствами и параметрами:
вольт-амперной и световой характеристикой,
чувствительностью, отношением темнового
сопротивления RТ
к световому
RС
постоянной времени τ, температурной
зависимостью фототока (температурным
коэффициентом тока), рабочим напряжением
и др.
Если
фоторезистор включен в электрическую
цепь последовательно с источником
напряжения, то в темноте через него
будет течь темновой ток IТ,
при освещении же его поверхности в цепи
будет течь световой ток IС.
Разность между установившимся световым
током IС
и темновым током IТ,
называется фототоком
IФ
(IФ
= IС
– IТ).
Вольт-амперной
характеристикой
фоторезистора называется зависимость
темнового тока, светового тока и фототока
от приложенного к фоторезистору
напряжения при неизменной величине
светового потока, падающего на
фоторезисторы. Для большинства
фоторезисторов эта зависимость имеет
вид
,
(1)
где
С —
коэффициент пропорциональности,
зависящий от типа фоторезистора и
интенсивности света.
При изучении
вольт-амперных характеристик
фоторезисторов обычно получают
вольт-амперные характеристики в темноте
и при различных освещенностях поверхности
светочувствительного слоя фоторезистора,
снимая их одновременно (см. рис. 1). Для
этого при затемненном фоторезисторе
(Е=0)
измеряют темновой ток, а при освещении
— световой. Затем находят фототок:
.
При изменении напряжения, приложенного
к фоторезистору, от нуля до номинального
значения для данной освещенностиЕ
через каждые 1—5 В находят зависимости:
Освещение
фоторезистора изменяется и измеряется
люксметром, расположенным на одном
уровне с фоторезистором.
Рис. 1. Принципиальная
схема для снятия характеристик
Л
— осветительная
лампа; Ф
— фоторезистор; μА
— микроамперметр (многопредельный); V
— вольтметр; R
— потенциометр;
К—
ключ; Б —
источник постоянного тока (15 – 150 В); ЛК
— люксметр.
строят на одном графике.
Вольт-амперные
характеристики у большинства фоторезисторов
имеют линейный характер, т. е. в широкой
области изменения напряжения
выполняется закон
Ома, а
фоторезисторы в области слабых
электрических полей являются омическими
сопротивлениями. У некоторых фоторезисторов
в области малых или больших напряжений,
приложенных к ним, наблюдаются отклонения
от линейности.
Световой
(люкс-амперной) характеристикой
фоторезистора называется зависимость
фототока от интенсивности освещения
(светового потока или освещенности)
при неизменном напряжении, приложенном
к фоторезистору.
На
практике люкс-амперные характеристики
преимущественно приводятся в виде
зависимости не фототока, а светового
тока или сопротивления от освещенности.
Зависимость
фототока фоторезисторов от освещенности
определяется зависимостью
фотопроводимости от интенсивности
света:
,
(2)
Для
снятия световой характеристики
фоторезистора используют схему рис. 1.
Устанавливают напряжение U
(в пределах допустимых значений) и,
изменяя освещенность фоторезистора
источником света, измеряют каждый
раз люксметром освещенность Е
и микроамперметром токи Iт
и Iс
вычисляют ток Iф.
и выражают графически в одной системе
координат при различных приложенных
напряжениях в пределах допустимых
значений.
Интегральной
чувствительностью
называется отношение фототока,
который течет в цепи фоторезистора при
рабочем напряжении, к падающему на
светочувствительный элемент световому
потоку от лампы накаливания, вольфрамовая
нить которой накалена до цветовой
температуры Т=2848 К
.
(3)
Удельной
интегральной чувствительностью
фоторезистора называется отношение
фототока к величине падающего светового
потока и к величине приложенного
напряжения
.
(4)
Спектральной
чувствительностью
называется отношение фототока Iфλ,
при длине волны λ к
падающему на светочувствительный
элемент потоку монохроматического
излучения Фλ
в узком интервале длин волн λ, λ+dλ
Спектральная
чувствительность в отличие от интегральной
зависит от длины волны падающего света
и выражается зависимостью
Чувствительности
фоторезисторов Ки
и Ку
находятся расчетным путем по данным,
полученным при снятии вольт-амперных
и световых характеристик. Зная площадь
светочувствительной площадки фоторезистора
S в (м2),
освещенность Е
(в лк) и приложенное напряжение U
в (В), вычисляют для видимой части спектра
величину лучистого потока (
Для
вычисления Кλ
необходимо знать распределение энергии
по спектру излучения
Во многих случаях
практического использования фоторезисторов
большое значение придается кратности
изменения сопротивления фоторезистора
при освещении
и относительному
изменению сопротивления
Для
рабочего напряжения Up
и освещенности Е
находят темновой и световой токи, а
затем вычисляют кратность изменения
сопротивления. Темновое сопротивление
фоторезистора и сопротивление его
при освещении рассчитывают по закону
Ома:
Рис.
2. Принципиальная схема определения
постоянной
времени
τ методом затухания фотопроводимости:
1
– лампа осветителя; 2 – конденсорная
линза; 3 – щель; 4 – прерыватель света
(полудиск); 5 – электромотор; 6 –
фоторезистор; 7 – потенциометр; Rн
– сопротивление нагрузки (магазин
сопротивлений); О
– осциллограф;
Б
– источник постоянного тока (15 – 150 В);
К –
ключ; V
– милливольтметр.
Постоянная
времени
спада фототока τ (релаксационное время
жизни носителей заряда,
–
средняя вероятность рекомбинации для
отдельного электрона) — время, в течение
которого фототок уменьшается ве
раз (на 63%) после прекращения освещения
фоторезистора. Она характеризует
инерционность фоторезистора, связанную
со временем жизни избыточного носителя
заряда (
.
(10)
Для
определения величины τ методом затухания
фотопроводимости (рис.2) исследуемый
фоторезистор помещают на подставку.
На фоторезистор подают определенное
напряжение (в зависимости от типа
фоторезистора) через нагрузочное
сопротивление Rн.
Освещая фоторезистор
прямоугольными импульсами света,
наблюдают на осциллографе
экспоненциальное изменение
(уменьшение) напряжения со временем
затемнения на последовательно включенном
с фоторезистором сопротивлении Rн.
Включив метки времени на осциллографе,
измеряют время t1,
в течение которого напряжение,
пропорциональное фототоку, уменьшается
в два раза. Падение напряжения на
сопротивлении Rн
при затемнении изменяется приближенно
по закону
(уменьшилось в два раза), то релаксационное
время жизни
где
t1
— время,
соответствующее уменьшению напряжения
на сопротивлении Rн
в два раза.
При измерениях
величин t1
и τ следует исследовать кривые затухания
разной амплитуды путем изменения
приложенного напряжения к образцу. Во
избежание искажения измеряемого времени
жизни τ измерительное поле должно
быть достаточно малым.
Метод
затухания фотопроводимости широко
применяют для измерения как объемного
τυ,
так и поверхностного τs
времени жизни. При измерении локальных
значений эффективного времени жизни τ
можно освещать лишь исследуемый участок
образца.
В
связи с тем что скорость нарастания
тока при освещении фоторезистора
несколько отличается от скорости
спадания его при затемнении, различают
постоянную времени нарастания τн
и спадания τсп.
Численные значения τн
и τсп
для фоторезисторов, приводимых, в
справочных таблицах, определяются при
освещенности 200 лк от источника излучения
с цветовой температурой 2850 К.
Для
определения τн
и τсп
подают на фоторезистор рабочее напряжение
и освещают его прямоугольными импульсами
света с заданной освещенностью, получают
на экране осциллографа устойчивую
кривую нарастания и спадания фототока
во времени. Включив метки времени на
осциллографе определяют значения τн
и τсп
путем подсчета числа калибровочных
меток времени на участках нарастания
и спадания фототока до требуемого уровня
63% от установившегося значения тока.
У
всех фоторезисторов постоянные времени
по нарастанию и спаданию не равны. В
большинстве случаев значение τн
превышает величину τсп
при определенном сопротивлении Rн.
Постоянные времени τн
и τсп
зависят от материала фоторезистора,
освещенности Е,
сопротивления Rн,
величины приложенного напряжения,
окружающей температуры и характера
освещения (частичное или полное освещение
светочувствительного слоя).
Инерционность
фоторезистора, характеризуемая постоянной
времени τ, свидетельствует о скорости
реакции фоторезистора на воздействие
светового потока. Фотоэлектрическая
инерционность фоторезистора приводит
к тому, что когда на светочувствительный
слой фоторезистора падает переменный
световой поток с частотой модуляции
ν,
то фототок зависит от частоты модуляции
светового потока (частотная характеристика
фоторезистора). С увеличением частоты
модуляции светового потока величина
переменной составляющей фототока
уменьшается в различной степени для
разных типов фоторезисторов.
Для
исследования частотной характеристики
фоторезистора
используется схема рис. 2. Переменное
напряжение, снимаемое с нагрузочного
сопротивления Rн
измеряется милливольтметром или
осциллографом. Оно пропорционально
фототоку (
Частота модуляции
светового потока изменяется механическим
прерывателем.
Upload
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
дно из его проявлений – изменение
электропроводности полупроводников
при их освещении. С точки зрения зонной
теории это можно объяснить переходом
под воздействием энергии света электронов
внутри полупроводника из валентной
зоны в зону проводимости (т.е. переходом
из связанных состояний в свободные без
выхода наружу) с образованием на их
месте дырок. В результате этого в
полупроводниках возникают освобожденные
световым излучением заряды (электроны
и дырки), способные перемещаться внутри
твердого тела, увеличивая его
электропроводимость, и, следовательно,
уменьшая его сопротивление электрическому
току. Зависимость
сопротивления
Rфоторезистора от
его освещенностиЕне линейна и
представлена на рис. 9. Простейший
фоторезистор (рис. 10) представляет собой
тонкий слой полупроводника 1 с
металлическими электродами 2, нанесенный
на изолятор 3.
При
включении фоторезистора в цепь источника
постоянного напряжения возникает
фототок, величина которого будет зависеть
от освещенности фоторезистора.
Фоторезистор
Принцип работы фотодатчика пульса
основан на использовании зависимости
степени поглощения светового потока,
проходящего через ткань, от кровенаполнения
ткани. Фотодатчики обычно крепятся на
мочке уха или на ногтевой фаланге пальца
руки (рис. 11).
Фо -падающий на ткань
световой поток,
Фп – световой поток,
поглощенный тканью,
Фпр – световой поток,
падающий на фоторезистор, т.е. прошедший
через ткань.
Фотодатчик пульса
Если приложить фоторезистор
светочувствительным слоем к ткани, то
величина фототока будет зависеть от
величины светового потока Фпр,
проходящего через ткань и падающего на
фоторезистор. Т.к.Фпр=Фо
– Фпогл, то при постоянном
световом потокеФо ,
падающем на ткань, сила тока, очевидно,
определяется величиной поглощенного
светаФпогл. Последняя в
свою очередь зависит от типа ткани, ее
толщины и кровенаполнения. В процессе
исследования тип и толщина ткани остаются
постоянными, поэтому выходной сигнал
фотодатчика характеризует кровенаполнение
исследуемой части тела. Поскольку
кровенаполнение изменяется в такт с
сокращением сердца, тем самым становится
возможными измерение частоты пульса,
равной частоте изменения фототока.
Для
исследования тонов и шумов сердца и
записи фонокардиограммы применяются
фонокардиографические датчики,
представляющие собой электродинамические
и пьезоэлектрические микрофоны, которые
преобразуют энергию звуковых колебаний
в электрическую энергию. Работа
динамического микрофона, относящегося
к индукционным датчикам, основана на
явлении электромагнитной индукции –
возникновении электродвижущей силы
(эдс) в контуре под действием переменного
магнитного поля. Основной закон
электромагнитной индукции устанавливает,
что эдс индукции
прямо пропорциональна скорости изменения
магнитного потокаФ, пронизывающего
этот контур, и не зависит от условий,
вызывающих его изменениеdФ
:
где k– коэффициент пропорциональности,
зависящий от выбора единиц измерения.
Условия,
вызывающие изменение магнитного потока
dФ, могут быть
различными, в данном датчике
электродинамическом микрофоне) магнитный
поток изменяется при движении контура
(катушки) в магнитном поле. Устройство
этого микрофона показано на рис. 12а.
Акустические колебания воздействуют
на упругую мембрану 2, которая по своей
окружности крепится к корпусу микрофона
1. На жестком основании – цилиндре 3,
закрепленном в центре мембраны,
располагаются витки провода катушки
4. В результате колебаний мембраны под
действием звуковых волн связанная с
ней катушка 4 перемещается в сильном
магнитном поле, образованным кольцевым
постоянным магнитом 5, вследствие чего
в ней возникает э.д.с. индукции такой же
частоты и почти такой же формы, каковы
частота и форма звуковых колебаний.
а
б
Соседние файлы в папке лабораторные по физике,4,7-28