Контрольные вопросы

1. Что называется световым потоком?

2. Каковы границы видимой части спектра?

3. Что называется освещенностью?

4. В каких единицах измеряются световой поток, сила света, освещенность?

5. В чем проявляется физиологическое действие света?

6. Приведите примеры физико-химического действия света?

Работа № 3.11 изучение фотоэлектрических свойств фоторезисторов

Цель работы: ознакомиться с явлением фотопроводимости, с принципом работы фоторезисторов. Исследовать их основные свойства.

Приборы и принадлежности: исследуемые фоторезисторы, вольтметр, потенциометр. лампа накаливания, ирисовая диафрагма, микроамперметр, объектив.

Введение

Фотоэлектрические преобразователи являются первичными датчиками при измерении световых величин электрическими методами. Они подразделяются на следующие типы:

1) фотоэлементы с внешним фотоэффектом;

2) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фоторезисторы;

3) фотоэлементы с запирающим слоем, так называемые, вентильные фотоэлементы.

Все три типа преобразователей принципиально отличаются друг от друга по природе процессов, проходящих в них под действием световой энергии. В данной работе необходимо познакомиться с приборами, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. Исторически вначале был изучен внешний фотоэффект.

Явление внешнего фотоэффекта заключается в том, что при попадании на поверхность металла светового потока электроны металла поглощают энергию световых лучей, тем самым приобретая дополнительную энергию. Если этой энергии достаточно для совершения работы выхода, то электроны уходят с поверхности металла. Это явление было открыто русским ученым А. Г. Столетовым.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света ν_кр при которой еще возможен внешний фотоэффект. Величина ν_кр зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

3. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света

I=k·Ф. (11.1)

4. Опыт показывает, что фотоэффект практически безынерционен. Трудности истолкования первого и второго законов с позиций волновой оптики привели А.Эйнштейна к созданию теории, объясняющей фотоэффект с точки зрения квантовых представлений. В соответствии с законом сохранения энергии энергия фотона, поглощенного веществом, частично расходуется на совершение работы выхода электроном А_вых, а частично превращается в кинетическую энергию фотоэлектрона, т. е.

(11.2)

^

где m — масса электрона;

υ_mах — максимальная скорость электрона;

h — постоянная Планка (6,6З·10^-34Дж·с);

ν— частота падающего света;

А_вых — работа выхода электрона из металла.

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (для металлов). Оно объясняет экспериментальные законы фотоэффекта:

1. Чем выше частота падающего света, тем большей скоростью обладают электроны, вылетающие из металла.

2. Из этого же уравнения следует, что электрон может выйти из металла только в том случае, если частота света превышает некоторую граничную частоту, называемую красной границей фотоэффекта. Ее можно определить из уравнения (11.2), полагая в нем υ_mах = 0,тогда

(11.3)

(11.4)

Тогда очевидно, что металлы с малой работой выхода являются более чув­ствительными в фотоэлектронном отношении. Поэтому в фотоэлементах в ка­честве фотокатодов применяются щелочные металлы и их окислы.

3. Интенсивность света определяет количество фотонов, падающих на ме­талл. Каждый фотон поглощается одним электроном.

4. Эффект, безынерционен вследствие того, что процесс поглощения фотона электроном происходит мгновенно, не требуется времени для накапливания энергии.

В кристаллических полупроводниках и диэлектриках наблюдается внутрен­ний фотоэффект. Это явление состоит в том, что под действием падающего света увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей заряда (электронов проводимости и дырок).

Это явление часто называется фотопроводимостью. Его можно легко объ­яснить на основе зонной теории твердых тел. Напомним, что в диэлектрике и беспримесном полупроводнике зона проводимости не содержит электронов, а лежащая ниже нее валентная зона проводимости целиком заполнена электро­нами. Разность ΔЕ между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации полупроводника (см. рис. 11.1).

У полупроводника ΔЕ значительно меньше, чем у диэлектрика. Она равна 0,1—2 эВ, а у диэлектрика более 2 эВ. Если энергия падающего фотона hν больше или равна ΔЕ, то при поглощении фотона электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в свободной зоне появ­ляется электрон, а в валентной зоне — положительная дырка.

Рис. 11.1

Эти пары разноименно заряженных носителей тока способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Очевидно, что концентрация электронов проводимости и дырок, а также зависящая от нее электропроводность вещества пропорциональны числу фото­нов, падающих на единицу поверхности вещества за единицу времени, т. е. интенсивности монохроматического света. А это значит, что для фоторезисто­ров выполняется третий экспериментальный закон и справедливо уравнение (11.1).

Для внутреннего фотоэффекта также существует красная граница. Это та минимальная частота света, при которой возможна фото провод им ость данного вещества, т. е.

(11.5)

При включении фоторезисторов в электрическую цепь и для их работы необходимо, также как и для фотоэлементов с внешним фотоэффектом, наличие в ней источников питания. Однако при этом нет необходимости в соблюдении полярности.

Фоторезисторы, в отличие от фотоэлементов, не обладают односторонней проводимостью, а проводят ток в обоих направлениях. Конструкция фоторе­зисторов крайне проста. В большинстве случаев она представляет собой нане­сенный на стеклянную пластинку тонкий слой светочувствительного полупро­водника с двумя т окоп ров од я щи ми электродами.

В связи с тем, что работа фоторезистора сильно зависит от влажности ок­ружающей среды, светочувствительный слои покрывают прозрачным лаком. В качестве светочувствительного слоя применяют селен, сернистый таллий, сер­нистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Наша промышленность выпускает серийно фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФСА) и серни­стого кадмия (тип ФСК).

Для изучения работы фоторезисторов экспериментально снимают ряд ха­рактеристик:

1. Вольтамперные характеристики фоторезисторов представляют собой за­висимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке, т. е. I_ф = f(u) при Ф = соnst.. Вольтамперные характеристики фоторезисторов представляют собой прямые линии (рис. 11.2).

2. Световые характеристики — это зависимость фототока от светового по­тока при постоянном напряжении на фоторезисторе, т. е. I_ф = f(ф) при u = соnst (рис. 11.3).

Рис. 11.2 Рис. 11.3

Для фоторезисторов они нелинейны и имеют тенденцию к насыщению. Как видно из рис. 11.3 особенностью фоторезисторов является наличие тока в цепи в отсутствии светового потока. Этот ток называют темновым фототоком и обозначают I_т. Для разных типов фоторезисторов он достигает от 5 до 50% ра­бочего фототока.

3. Темновое сопротивление — это сопротивление фоторезистора при отсут­ствии освещения фоторезистора при нормальном внешнем напряжении:

(11.6)

По экспериментально снятым характеристикам рассчитывают параметры фоторезисторов. К ним относятся:

1. Интегральная чувствительность. Она показывает, какой величины фототок создаётся в фоторезисторе световым потоком в один люмен при постоянном напряжении. Интегральная чувствительность рассчитывается по уравнению

(11.7)

здесь ΔΙ_ф — изменение фототока в мкА;

ΔФ — изменение светового потока, вызывающего изменение фототока на ΔΙ_ф. Единицей измерения интегральной чувствительности, является

[k]=мкА/лм

2. Удельная чувствительность — это отношение интегральной чувствительности к величине номинального напряжения, приложенного к фоторезистору.

(11.8)

здесь ΔК — изменение интегральной чувствительности;

ΔU — изменение напряжения, вызывающее изменение интегральной чувствительности на ΔК.

Единицей измерения удельной чувствительности является

Номинальное напряжение — это напряжение, которое является рабочим для данного фоторезистора, оно дается в паспорте.

3. Зависимость внутреннего сопротивления от светового потока. По вольтамперной характеристике можно построить зависимость внутреннего сопротив­ления фоторезистора от величины светового потока, т. е, R = f(Ф) (рис. 11.4).

Рис. 11.4

Здесь R_т— темновое сопротивление фоторезистора;

R₁ и R₂ — сопротивление его при световом потоке Ф₂ и Ф₁.

4. Световая чувствительность фоторезисторов. Световой чувствительностью фоторезисторов называют отношение изменения внутреннего сопротивления резистора к изменению светового потока. Обозначают эту величину S.

(11.9)

Единицей измерения световой чувствительности является

[S]=Ом/лм

5. Кратность изменения сопротивления. Под ней понимается отношение темнового сопротивления к сопротивлению при данном световом потоке

(11.10)

Здесь М — кратность изменения сопротивления;

R_т— темновое сопротивление фоторезистора;

R₁ — сопротивление фоторезистора при данном световом потоке.

Величина М для разных типов фото рези сто ров колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен, а для особенно чувствительных фоторезисторов она может достигать даже нескольких сотен тысяч единиц. Кратность измене­ния сопротивления есть безразмерная величина.