Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Фотодіод перетворює світло в електричну напругу і тому широко використовується сьогодні у так званій фотовольтаїці для отримання відновлюваної енергії за допомогою Сонця.
Однак фотодіод також може використовуватися, наприклад, для приймання інформації, що передається світлом, як це робиться сьогодні у волоконній оптиці для передачі даних. Інші сфери застосування - це, наприклад, інфрачервоні пульти дистанційного керування або світлові бар'єри.
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
попередні знання
Учні мають знати будову та принцип дії діода та мати базові знання про електричні кола.
Принцип
Фотодіоди, як правило, виготовляють із напівпровідникового матеріалу (кремнію, германію, арсеніду галію, арсеніду галію індію та інших матеріалів), з різним ступенем легування, що працює у зворотному напрямку. Світло проникає в прикордонний шар переходу, а енергія фотонів генерує пари носіїв заряду (електрони і дірки), які забезпечують фотострум, сила якого пропорційна (майже лінійна) інтенсивності освітленості. Тому фотодіоди часто використовують як залежні від освітленості джерела струму в режимі короткого замикання. Фотострум лише незначно збільшується при прикладеній напрузі.
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Завдання
Учні мають вивчити будову та принцип дії фотодіода.
Учні мають дослідити поведінку фотодіода під час освітлення. У цьому експерименті вимірюються струм короткого замикання та напругу розімкненого кола фотодіода за різних рівнів освітленості.
Додаткова інформація для вчителів (3/3)
Примітки
Для того, щоб учні вивчили лінійну залежність сили фотоструму від інтенсивності освітлення, необхідно пояснити зв'язок між відстанню точкового джерела світла від опромінюваної поверхні, з одного боку, і силою освітлювального струму, з іншого.
У першій частині експерименту досліджується пропорційність між освітленістю і силою струму короткого замикання фотодіода.
Рекомендується використовувати ліхтарик без рефлектора. Він має більш рівномірний світловий конус, завдяки чому сила струму короткого замикання не так сильно коливається. Якщо можливо, на фотодіод не повинно потрапляти стороннє світло.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Цифровий фотоапарат
Фотодіоди мають широкий спектр застосування. Наприклад, їх використовують для швидкого передачі даних в оптоволоконних мережах, у світлових бар'єрах або інфрачервоних пультах дистанційного керування. Сонячні елементи для виробництва відновлюваної енергії також засновані на принципі дії фотодіодів. Тут пари зарядів розділяються падаючим світлом, яке потім генерує напругу.
Цифрові камери мають вбудований чіп, який вимірює яскравість кожного пікселя. Найпростіший спосіб вимірювання яскравості - за допомогою фотодіода. У цьому експерименті Ви зможете вивчити принцип дії фотодіода.
Завдання
За яким принципом працює фотометр?
Дослідіть поведінку фотодіода під дією світла. Виміряйте струм короткого замикання та напругу розімкненого кола фотодіода за різних рівнів освітленості.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 2 | Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження | 07021-11 | 2 |
| 3 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 4 | З'єднувальний, прямий з роз'ємом, модуль SB | 05601-11 | 2 |
| 5 | Патрон для лампи розжарювання Е 10, модуль SB | 05604-00 | 1 |
| 6 | Фотодіод, модуль SB | 05653-00 | 1 |
| 7 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 1 |
| 8 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 9 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 10 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 11 | Лампа розжарювання, 6 В/ 3 Вт, E10, 10 шт. | 35673-03 | 1 |
Додаткові матеріали
| Позиція | Матеріал | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Ліхтарик | 1 |
Підготовка
Зберіть експериментальну установку, як показано на рисунках. Для цього під'єднайте з'єднувальні модулі з роз'ємами до фотодіода і підключіть їх до вимірювального приладу.
Зніміть рефлектор з ліхтарика і виберіть на вимірювальному приладі діапазон вимірювання сили струму близько 50 мкА
Виконання роботи (1/3)
1. Дослідження поведінки фотодіода під час освітлення.
a) Вимірювання сили струму
- Освітіть фотодіод з різних відстаней і спостерігайте за струмом, що виникає при цьому. Не перевищуйте максимальну величину сили струму в 50 мкА. Тепер розташуйте ліхтарик вертикально над фотодіодом і виберіть таку відстань, щоб струм короткого замикання становив точно 50 мкА. Потім збільшіть відстань між ліхтарем і фотодіодом вдвічі і спостерігайте за зміною сили струму.
б) Вимірювання напруги
- Виберіть діапазон вимірювання напруги близько 1 В постійного струму. Знову освітіть фотодіод з різних відстаней і спостерігайте за отриманою напругою. Розташуйте ліхтарик так, щоб напруга в розімкненому контурі (холостий хід) становила 0,5 В. Збільшіть відстань між ліхтарем і фотодіодом вдвічі і знову спостерігайте за зміною напруги.
Виконання роботи (2/3)
Тепер зберіть другий ряд модулів разом із патроном лампи, як показано на рисунках, і вставте лампу. Виберіть на вимірювальному приладі для фотодіода діапазон вимірювання сили струму 50 мкА. Паралельно до лампочки підключіть другий вимірювальний прилад (діапазон вимірювання напруги приблизно 10 В постійного струму).
Виконання роботи (3/3)
- Розташуйте відповідні електричні кола з лампочкою і фотодіодом на бік так, щоб вони знаходилися прямо навпроти один одного, як показано на рисунку.
- Встановіть напругу на лампочці - 6 В. Виберіть відстань між електричними колами так, щоб сила струму фотодіода дорівнювала 50 мкА. Відстань більше не повинна змінюватися.
- Визначте струм короткого замикання фотодіода залежно від напруги лампочки з кроком 1 В, починаючи з 6 В до 0 В. Запишіть отримані виміряні значення в таблицю в протоколі.
Протокол
Таблиця 1
U_L = 6V: I_K [uA]:
, мкА
,
6
5
4
3
2
1
0
U_L = 5V: I_K [uA]:
U_L = 4V: I_K [uA]:
U_L = 3V: I_K [uA]:
U_L = 2V: I_K [uA]:
U_L = 1V: I_K [uA]:
U_L = 0V: I_K [uA]:
Запишіть у таблицю виміряні значення сили струму короткого замикання залежно від напруги лампочки .
Побудуйте вольт-амперну характеристику фотодіода:
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Вставте слова в тексті! ____ короткого замикання фотодіода є мірою ____. Якщо лампа розжарювання не працює при ____, то її ____ буде значно ____. Наприклад, при роботі з напругою приблизно 4,5 В яскравість ____ ____, ніж при номінальній напрузі 6 В.