Лабораторная работа №2. Изучение фотосопротивлений

Цель работы:

изучение вольт-амперных и световых характеристик фотосопротивления, вычисление его удельной чувствительности, определение кратности изменения сопротивления от интенсивности света.

Приборы и принадлежности:

фотосопротивление, источник света, источник тока, реостат, вольтметр, микроамперметр, ключ.

Теоретические сведения

Полупроводниковые фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, называются фотосопротивлениями (ФС).

Внутренний фотоэффект состоит в переходе электронов за счет энергии поглощенных световых квантов из валентной зоны в зону проводимости. В случае примесных полупроводников электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В результате этих переходов число носителей тока (электронов и дырок) а, следовательно, и проводимость освещенного полупроводника растут.

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

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

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость фототока I_ф (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока I_т от приложенного напряжения U. Для большинства ФС в рабочем режиме эта зависимость практически линейна. Под фототоком понимают разность между световым I_с и темновым I_т током:

II_с-I_т

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

Спектральная характеристика выражает зависимость чувствительности ФС от длинны световой волны при постоянной величине светового потока и постоянном напряжении.

Частотная характеристика выражает зависимость чувствительности ФС от частоты прерываний светового потока при постоянном приложенном напряжении и постоянном световом потоке.

К наиболее важным параметрам ФС относятся чувствительность удельная, интегральная, спектральная, темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления.

При определении чувствительности ФС необходимо учитывать зависимость фототока от спектрального состава и величины падающего светового потока, а также от величины приложенного напряжения.

Удельная чувствительность К — отношение фототока к произведению падающего светового потока Ф, излучаемого источником света с цветовой температурой 2850 К и создающего освещенность 200 лк, на приложенное к ФС напряжение U:

KI_Ф/ФUI_ф(ESU), (5.1).

где E — освещенность ФС, S — площадь приемной части ФС.

Интегральная чувствительность — произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

KU. (5.2).

Спектральная чувствительность характеризует силу тока, возникающую под действием излучения в узком интервале длин волн. Спектральную чувствительность ФС отражают спектральные характеристики (на рис. 5.1 приведены зависимости силы тока в относительности силы тока в относительных единицах от длины, падающей световой волны для ФС, сделанный из различных материалов).

Темновое сопротивление r_т — сопротивление ФС при 20С через 30 с после снятия освещенности 200 лк.

Кратность изменения сопртивления r_тr_c — отношение темнового сопротивления ФС к сопротивлению при освещенности 200 лк от источника с цветовой температурой 2850 К.

Рабочее напряжение — напряжение, при котором ФС может быть использовано в течение указанного срока службы без изменения его параметров свыше определенных допустимых значений.

К наиболее распространенным типам ФС относятся ФС-А1, ФС-А4 из сернистого свинца, ФС-Б2 из сернистого висмута, ФС-К1, ФС-К2, ФСК-М1,ФСК-М2 из сернистого кадмия. Буква М добавляется в том случае, если ФС выполнено из монокристалла.

Описание установки

Фотосопротивление (рис. 5.2) представляет собой обычное омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника 2, нанесенного на изолирующую подкладку 1 и заключенного между двумя токопроводящими электродами 3. Приемная площадь ФС обычно защищается пленкой прозрачного лака и выполняется в виде квадрата, прямоугольника или круга. В монокристаллических ФС слой полупроводника заменен монокристаллом.

Задание 1.

Снятие вольт-амперных и световых характеристик фотосопротивления.

• 1. Собрать электрическую схему, представленную на рис. 5.3.
• 2. Снять темновую вольт-амперную характеристику ФС, для чего, не включая источника света, изменять напряжение, подаваемое на ФС, при этом фиксировать значения силы тока I_т. Результаты записать в таблицу.
• 3. Включить источник света. При неизменной освещенности (расстояние l фотоэлемента от источника света постоянно), изменяя напряжение, подаваемое на ФС, снимать значение силы тока I_с освещенного фотосопротивления. Результаты записать в таблицу.
• 4. Построить графики зависимости темнового тока и фототока от напряжения:

I_тf(U)_E; I_Фf(U)_E.

• 5. При постоянном напряжении U для различных освещенностей ЕI_свl² (где I_св — сила света) измерить значение токов. Результаты измерений представить в виде таблицы.
• 6. Построить график зависимости фототока от освещенности: I_фf(E)_U.

Задание 2.

Определение удельной чувствительности фотосопротивления и кратности его сопротивления.

• 1. При одном и том же напряжении U, подаваемом на ФС, измерить световой ток I_с при освещенности Е200 лк и темновой ток I_т через 30 с после снятия освещенности 200 лк.
• 2. Рассчитать кратность изменения сопротивления по формуле

r_тr_сI_т.

3. Рассчитать удельную чувствительность ФС по формуле (5.1).