31.03.2009r.
Ćwiczenie nr 55
BADANIE FOTOOPORU I FOTOOGNIWA
I. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny i wewnętrzny.
Jak wiadomo, elektron nie może sam opuścić metalu. Musi dostać z zewnątrz potrzebną do tego energię w postaci: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, bombardowania lub energii świetlnej. Jeżeli opuszczenie elektronu spowodowane jest ostatnim z wymienionych czynników, wtedy nazywamy to fotoemisją lub efektem fotoelektrycznym. Rozróżniamy dwa rodzaje efektów fotoelektrycznych: zewnętrzne i wewnętrzne.
Najpierw omówię efekt fotoelektryczny zewnętrzny. Polega on na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. W zjawisku tym:
§ fotoelektrony, czyli uwolnione pod wpływem światła elektrony, pojawiają się natychmiast po naświetleniu metalu (dokładnie po );
§ im mocniejsze oświetlenie tym większa ilość emitowanych fotoelektronów i na odwrót: im mniejsze oświetlenie tym mniej emitowanych fotoelektronów;
§ natężenie światła nie wpływa na energię fotoelektronów;
§ energia najszybszych fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do częstości drgań fali świetlnej.
Prawa te można wyjaśnić w oparciu o korpuskularną teorię światła, ale przeczą one falowej jego falowej naturze. Efekt fotoelektryczny obserwujemy, jeżeli częstość drgań fali świetlnej przekracza wartość częstości progowej . Częstością progową nazywamy częstość drań fali świetlnej, której iloczyn przez stałą Plancka () jest równy pracy „wychodzenia” elektronu z metalu. Dla dużej części metali częstość progowa jest wyższa niż częstość światła widzialnego, czyli leży w nadfiolecie. Częstość progowa znajduje się w granicach światła widzialnego tylko dla metali alkaicznych. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny znalazł zastosowanie w fotokomórkach.
Wyróżniamy również efekt fotoelektryczny wewnętrzny. W zjawisku tym, elektrony przenoszone są z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dzięki temu wzrasta przewodnictwo właściwe. Można to wyjaśnić w następujący sposób: kwanty światła, które padają na półprzewodnik zrywają wiązania i uwalniają elektrony tworzące te wiązania. Te uwolnione elektrony mogą się swobodnie poruszać. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi dla częstości drgań fali świetlnej wyższych od częstości granicznej , której iloczyn przez stałą Plancka jest równy szerokości pasma wzbronionego ΔE.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny zachodzi tylko w cienkiej warstwie powierzchniowej.
Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od ilości nośników prądu, opór oświetlonej próbki jest mniejszy niż opór płytki nieoświetlonej. Zjawisko to znalazło zastosowanie w fotoopornikach.
II. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
Ze względu na skład materiału z jakiego składa się półprzewodnik możemy wyróżnić półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
Półprzewodniki samoistne to takie, których materiał jest idealnie czysty i nie ma zanieczyszczeń natury krystalicznej. Ilość elektronów przypadających na jednostkę objętości, w tym typie półprzewodników jest równa ilości dziur przypadających na jednostkę objętości. Ogólnie półprzewodniki charakteryzują się wysoką opornością właściwą i niską przewodnością właściwą, ponieważ nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych.
Półprzewodniki domieszkowane natomiast, to takie które powstają, jeżeli do struktury krystalicznej półprzewodnika samoistnego wprowadzimy dodatkowe atomy pierwiastka nie wchodzącego w skład półprzewodnika samoistnego.
Wśród nich możemy wyróżnić półprzewodniki nadmiarowe i niedomiarowe. Półprzewodniki nadmiarowe to takie, które mają nadmiarowe elektrony. Nazywamy je półprzewodnikami typu n. Powstają, np. gdy do półprzewodnika zbudowanego z pierwiastka grupy 14 (krzem, german) wprowadzimy pierwiastek grupy 15(arsen, antymon). Natomiast półprzewodniki niedomiarowe to takie, które mają niedomiar elektronów. Nazywamy je półprzewodnikami typu p. Powstają, np. gdy do półprzewodnika typu n wprowadzimy pierwiastek grupy 13 (bor, gal).
III. Fotoopór.
Fotoopornik jest elementem półprzewodnikowym, czułym na światło.
Fotooporniki wykonane są zazwyczaj z cienkich warstw półprzewodnika umieszczonych na warstwie izolacyjnej.
Zasada działania fotoopornika oparta jest na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym.
Im większe oświetlenie fotoopornika, tym mniejsza jego rezystancja, a zatem również większy przepływ prądu, co spowodowane jest uwalnianiem elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem energii przekazywanej przez światło.
IV. Fotoogniwo.
Fotoogniwo jest źródłem prądu, które powstaje na skutek oświetlania złącza
półprzewodnik-metal. Wiązka światła, która spada na styk zakłóca stan równowagi dynamicznej. Kwanty światła przekazują energię elektronom w półprzewodniku, przenosząc je z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Zatem w półprzewodniku wrasta ilość elektronów swobodnych, które natychmiast przechodzą do metalu ładując go ujemnie.
Istnieją dwa typy fotoogniw: miedziowe i talowe.
V. Widmo promieniowania elektromagnetycznego.
Widmem fal elektromagnetycznych nazywamy klasyfikację fal według ich częstotliwości. Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.
Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma.
Fale radiowe (promieniowanie radiowe) – promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.
Mikrofale – promieniowanie elektromagnetycznego o częstotliwości 1-300 GHz.
Podczerwień (IR) – to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie długości fal pomiędzy światłem widzialnym i mikrofalami. Podczerwień często dzieli się na bliską (NIR, 0,7-5µm), średnią (MIR 5-30µm) oraz daleką (FIR 30 - 1000 µm), ale są to tylko umowne granice.
Światłem widzialnym nazywamy tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest odbierana przez siatkówkę oka ludzkiego.
Ultrafiolet (UV) – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie X.
Promieniowanie X – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Zakresy promieniowania X: twarde promieniowanie X - długość od 5 pm do 100 pm i miękkie promieniowanie X - długość od 0,1 nm do 10 nm
Promieniowanie gamma – wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie gamma jest zaliczane do promieniowania jonizującego razem z promieniowaniem alfa oraz promieniowaniem beta.
3. LITERATURA:
§ Henryk Szydłowski; „Pracownia Fizyczna”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1973; rozdział 28;
§ David Halliday, Robert Resnick; „Fizyka 2”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1993; rozdziały 39-6;
kamszym88