Проведение измерений и обработка результатов. 1 Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента
1 Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента
1. Подключить установку к электрической сети.
2. Включением тумблера «ФЭ» замкнуть цепь фотоэлемента.
3. Источником питания осторожно изменять напряжение от 0 до 150 В; через каждые 10 В записывать значения тока , спустя некоторое время после установления очередного значения напряжения UN.
4. Повторить все измерения в обратном порядке, уменьшая каждый раз напряжение на 10 В и записывая соответствующие показания тока .
5. Найти среднее значение тока для каждого значения напряжения UN. Результаты занести в таблицу.
N | U, B | I/, мкА | I//, мкА | I, мкА |
- Построить график зависимости тока I от напряжения U.
2. Определение чувствительности фотоэлемента
1. Источником питания осторожно установить напряжение U=150В.
2. Установить лампочку на расстоянии d=0,16 м от отверстия футляра фотоэлемента и включить лампу.
3. Медленно менять положение лампочки от фотоэлемента в пределах от 0,16 м до 0,45 м; через каждые 0,05 м записывать значения тока I.
4. Построить график зависимости тока I от положения лампочки d.
5. По формуле (3) определить чувствительность γ фотоэлемента. Результаты занести в таблицу.
N | d, м | I, мкА | γ¸ мкА/лм |
Контрольные вопросы и задания
1. Какова природа внешнего и внутреннего фотоэффекта?
2. Сформулировать и объяснить законы внешнего фотоэффекта.
3. Рассказать об устройстве вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.
4. Есть ли ток насыщения у газонаполненных фотоэлементов?
5. Рассказать о применении явления фотоэффекта в науке и технике.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 21
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКА И МЕТАЛЛА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Цель работы: на основе полученных графиков зависимости электросопротивления от температуры оценить степень влияния температуры, а также ширину запретной зоны полупроводника.
Приборы: установка для измерения температурных зависимостей сопротивления, полупроводниковый и медный терморезисторы.
Теоретические сведения
По зонной теории, рассматривающей поведение электронов в твёрдых телах с энергетической точки зрения, к полупроводникам относятся те твёрдые тела, для которых валентная зона полностью занята и отделена от зоны проводимости узкой запретной зоной порядка 1эВ. В этом случае за счёт теплового возбуждения происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 68), а в валентной зоне появляются незанятые энергетические состояния. Под действием внешнего электрического поля по кристаллу будут перемещаться электроны зоны проводимости (рис. 68) и незанятые состояния валентной зоны, причём последние полезно представлять как фиктивные положительные частицы – дырки (рис. 68).
Такая собственная проводимость полупроводника является смешанной – электронно-дырочной. Носители тока в полупроводнике возникают за счёт теплового возбуждения.
Рис. 68
Такая собственная проводимость полупроводника является смешанной – электронно-дырочной. Носители тока в полупроводнике возникают за счёт теплового возбуждения.
Для металлов характерно перекрытие валентной зоны и зоны проводимости (рис. 69). Для возникновения проводимости в металле теплового возбуждения не требуется.
Рис. 69
Удельная электропроводность, созданная потоком носителей, равна γ=qn0u. Здесь q – заряд носителя, Кл; n0 – концентрация носителей, 1/м3; u – их подвижность, м2/(В с).
В металлах носителями являются свободные электроны, их концентрация велика и постоянна; температура влияет лишь на подвижность электронов вследствие рассеяния на тепловых колебаниях решётки: u~1/T. Следовательно, для металла: γ~1/T, а сопротивление Rм~T. Температурный коэффициент электросопротивления металла αм=(1/Rм)(∆Rм/∆T) почти постоянен.
Собственная проводимость полупроводника обеспечивается совместно электронами и дырками, поэтому γ=q-n0-u-+q+n0+u+ . Заряды электрона проводимости q- и дырки q+ по величине равны e=1,6∙10-19Кл, концентрации невелики и одинаковы n0-=n0+,а подвижности u->u+. Температура сильно влияет на концентрацию носителей и гораздо слабее – на их подвижность.
Как зависит концентрация носителей в полупроводнике от температуры? Для перехода в зону проводимости электронам необходимо преодолеть энергетический барьер Eзапр/2, поскольку уровень ферми, в принципе соответствующий максимальной энергии электронов при абсолютном нуле, лежит посередине запретной зоны (рис. 68).
По больцмановскому закону: . Следовательно, для полупроводника проводимость , а сопротивление полупроводника . Температурный коэффициент сопротивления полупроводника отрицателен и убывает по абсолютной величине с ростом температуры пропорционально 1/Т2:
.
Ширина запретной зоны определяется из графика зависимости lnRn от обратной температуры 1/Т. В таких координатах график получается прямолинейным (рис. 70) с угловым коэффициентом наклона, равным
.
И металлические, и полупроводниковые сопротивления используются в качестве датчиков в электрических термометрах сопротивления, которые позволяют вести дистанционное измерение температур в широком диапазоне. Чувствительность датчиков определяется величиной температурного коэффициента сопротивления. Для металла характерен слабый линейный рост сопротивления при нагреве, для полупроводника – крутое нелинейное падение. Поэтому металлические и полупроводниковые датчики имеют свои достоинства и свои недостатки.
Рис. 70
Описание прибора
Установка для измерения температурных зависимостей сопротивления состоит из электролампы, ртутного термометра, полупроводникового и медного терморезисторов (см. макет установки).
От электролампы обогревается ртутный термометр. На теплопроводном каркасе размещены металлическое сопротивление из медной проволоки и полупроводниковое термосопротивление (терморезистор) типа КМТ или ММТ, изготовленное из смесей кобальта, марганца, магния и др. Теплопроводный каркас выравнивает температуру ртутного шарика и сопротивлений.