Дослідження спектральної чутливості

Напівпровідникового фотоелемента

Мета роботи: вивчення будови монохроматора та методу його градуювання, дослідження спектральної чутливості напівпровідникового фотоелемента з запірним шаром.

Прилади та обладнання: фотоелемент, монохроматор УМ-2, уні­версальний цифровий вольтамперметр В7-35, ртутна лампа.

 

Теоретичні відомості

Поряд із зовнішнім фотоефектом існує вентильний фотоефект або фотоефект запірних шарів. Він полягає в безпосередньому перетворенні світлової енергії в електричну.

Вентильний фотоелемент (або фотоелемент із запірним шаром) складається з двох тіл з n- та p- провідністю (рис. 1).

При з’єднанні напівпровідників n- та p- типу виникає контактна різниця потенціалів (рис.1). Але робота виходу електронів з напівпровідника n- типу менша, ніж робота виходу дірок напів­провідника p- типу, тому кіль­кість електронів, які перейдуть у напівпровідник p- типу, буде більше кількості дірок, які перейдуть у напівпровідник n- типу. За рахунок цього напівпро­відник n- типу заряджається позитивно. При освітленні такої системи світлом звільняються електронно-діркові пари, й під дією контактної різниці потен­ціалів звільнені електрони будуть рухатися у бік напівпровідника n- типу, а дірки – у бік напівпровідника p- типу. Якщо коло замкнене, як показано на рис.1, то в колі буде протікати струм до тих пір, доки система освітлюється світлом.

 

 

Напівпровідникові фотоелементи із запірним шаром дають в колі струм без дії прикладеної зовні електрорушійної сили.

Якщо фотоелемент послідовно освітлювати різними монохро-матичними джерелами, які випромінюють однакову енергію, то величина фотоструму буде залежати від довжини хвилі падаючого світла. Тому поряд з інтегральною чутливістю вводиться поняття спектральної чутливості. Інтегральна чутливість g вимірюється відношенням сили фотоструму до величини потоку світлової енергії Ф білого світла:

Спектральна чутливість g_l вимірюється відношенням сили фотоструму до величини потоку світлової енергії Ф_l у вузькому інтервалі довжин хвиль l, l + dl, що падає на фотоелемент:

.

Найпростіший спосіб отримання спектральної характеристики фотоелемента полягає в тому, що на останній направляють за допомогою монохроматора світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі і вимірюють відповідну величину фотоструму і.

На практиці інтенсивність джерел світла різна для різних довжин хвиль. Тому, якщо перед монохроматором встановити лампу розжарення і обертати його барабан, то інтенсивність світла різних довжин хвиль, що виходить з окуляра монохроматора, буде неоднаковою.

Однак величина енергії e_l для кожного значення l може бути визначена на основі законів теплового випромінювання. Знання залежності e_l = f(l) дозволяє перерахувати силу фотоструму від реального джерела до немонохроматичного джерела постійної інтенсивності в будь-якому спектральному інтервалі.

На рис. 2. представлена залежність енергії випромінювання від довжини хвилі для розжареного вольфраму, який має температуру Т = 2873 К.

На осі ординат відкладена інтенсивність випромінювання J в умовних одиницях. Причому за одиницю інтенсивності прийнята

 

енергія, яка відповідає довжині хвилі l = 5600 (це довжина хвилі відповідає максимальній чутливості ока).

Для світла довжиною хвилі l = 5600 Å фотострум і в стільки разів менший, ніж струм від джерела постійної інтенсивності e, в скільки разів e_l менше від e = e₅₆₀₀.

Тому для того, щоб зробити перерахунок, покази гальванометра (фотострум) слід помножити на коефіцієнт k.

Тоді, для l 5600 Å, ; для l > 5600 Å, .

Для визначення чутливості фотоелемента зазвичай користу­ються еталонними лампами з відомими кривими Віна, або ж визначають пірометром температуру нитки лампи розжарення і, знаючи матеріал спіралі нитки, за табличними даними будують криву Віна e_l = f(l). Потім визначають коефіцієнт k для різних довжин хвиль (див. таблицю 1). В даній роботі використана лампа з вольфра­мовою спіраллю (робоча температура Т = 2873 К). Значення k для різних довжин хвиль наведені нижче.

Перед вхідною щілиною монохроматора встановлена лампа розжарення, а перед вихідною – досліджуваний напівпровідниковий фотоелемент із запірним шаром (селеновий). Фотоелемент з’єднаний з універсальний цифровий вольтамперметр В7-35, що працює в режимі амперметра.