IX ОБЛАСТНОЙ КОНКУРС ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ОБУЧАЮЩИХСЯ «ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

_______________________________________________________

Направление науки: Техническое

Номинация: Опытно-экспериментальная

Тема: Исследование характеристик фоторезистора с помощью терменвокса

Автор: Любавин Максим

Руководитель: Авдеева Мария Александровна

 Образовательная организация:

МБОУ ”Лицей г.Уварово им. А.И. Данилова”

2015 год

Содержание:

Содержание:        1

Введение        2

Описание и принцип работы фоторезистора        3

Описание экспериментальной установки        6

Заключение        11

Список литературы:        12

Приложение         13

Введение.

Звёздные войны “Познать светлую сторону силы должен ты”

На сегодняшний день тема света особенно актуальна. ЮНЕСКО назвала 2015 год годом света. Цель этого года – привлечь внимание общественности к световым технологиям и их роли в достижении устойчивого развития этой области. Современные учёные добились впечатляющих результатов в исследованиях световых явлений. Технология Li-Fi позволяет передавать данные со скоростью света. Такой тип интернета используют световую волну, и переводит её в цифровую информацию. Японские учёные занимаются управлением сверхпроводимостью при помощи света. Получение энергии с помощью солнечных батарей - достойная и более экологичная замена существующим видам топлива.

Проблемный вопрос: как преобразовать свет в звук?

Тема данной исследовательской работы исследование характеристик фоторезистора с помощью терменвокса. Для этого было решено собрать экспериментальную установку. В основе, которой лежит оптический терменвокс. Для выполнения поставленной задачи было недостаточно уровня школьного курса физики. Поэтому нужно подключать и другие сферы знаний. Для создания терменвокса используется схемотехника и электроника. Для дальнейшего программирования платы нужны были базовые знания языка программирования С++. Для обработки данных исследования необходим звуковой редактор AudaCity.

Цель работы:

Изучить способы преобразования света в звук и предложить свой метод исследования перевода световой волны в звуковую с помощью оптического терменвокса.

Задачи работы:

1) Изучить принципы работы и свойства фоторезистора.

2) Собрать экспериментальную установку и установить на плату программное обеспечение.

3) Провести измерения зависимости света и звука.

4) Проанализировать полученные результаты.

5) Предложить практическое применение перевода света в звук.

Объект исследования – световая волна различных цветов.

Предмет исследования –преобразование звуковой волны в световую.

Описание и принцип работы фоторезистора

Одним из схемотехнических элементов в приборах для изучения света является фоторезистор. Фоторезистором называется полупроводниковый элемент, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием света. Элементы фоторезистора показаны на рис.1. (приложение 1). [1]

Когда на фоторезистор попадает свет, в полупроводнике начинают появляться свободные носители заряда. Именно этот процесс называется фотоэффектом, а эффект когда у проводника появляется дополнительная проводимость, именуется фотопроводимостью.

Рассмотрим это явление вначале на примере химически чистого полупроводника. При абсолютном нуле все энергетические уровни валентной зоны заняты электронами, а зона проводимости свободна (рис. 2, а). Для образования свободных носителей заряда электронам необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенного энергетического зазора - ширины запрещенной зоны ∆E0. Поэтому в темноте при температуре абсолютного нуля полупроводник является изолятором.  Если полупроводник нагреть, то вследствие теплового возбуждения атомов отдельные электроны могут получить энергию, достаточную для перехода в зону проводимости (рис 2, б). При заданной температуре кристалла установится равновесная концентрация электронов в зоне проводимости n0 и дырок в валентной зоне p0. Электропроводность полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется теневой проводимостью.

        δ0=n0eμn+p0eμp, (1)        

где μnи μp– подвижности электронов и дырок соответственно, е – заряд носителя тока.

        а)        б)        в)

Рисунок 2. Переход электронов к дыркам

При освещении полупроводника наряду с термической ионизацией появление свободных носителей обусловлено внутренним фотоэффектом. Поглощая квант света, атом ионизируется, т.е. один из его валентных электронов переходит в зону проводимости (рис. 2,в), а в валентной зоне возникает дырка. Очевидно, такой переход электрона будет возможен, если энергия фотона равна или несколько больше ширины запрещенной зоны,hv ≥ ∆E0. (2а).

По такому принципу работает и примесной полупроводник. В донорных полупроводниках фотоны переходят электроны с донорных уровней в зону проводимости (рис. 3, а); в акцепторных – вызывают переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни (рис. 3,б). [2]

                а)                б)

Рисунок 3

В первом случае возрастает концентрация свободных электронов, во втором – концентрация дырок. Процесс примесной фотоионизации проходит при условии

hv ≥ ∆Eа (2, б) ,

где ∆Eа. – энергия активации примесных атомов.

Кроме процессов генерации свободных носителей заряда, имеет место и обратный процесс – их рекомбинация. Средний промежуток времени от момента генерации носителя до его рекомбинации называется временем жизни. Обозначим времена жизни электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне как tn и t p. Пустьв единицу времени в единице объема собственного полупроводника генерируется Fг пар носителей заряда. Тогда, если интенсивность света не меняется с течением времени, установившиеся значения избыточных концентраций электронов и дырок равны

∆n = fгτn    ∆p = fгτn(3)

Генерация fг пропорциональна количеству квантов света, поглощенных в единицу времени в единице объема: fг= βατ        (4)

где a – коэффициент поглощения, b – квантовый выход, т.е. число парэлектрон-дырка, создаваемых одним фотоном. Для используемого в моей работе диапазона энергий фотона b =1. Таким образом, под действием света концентрации электронов и дырок в полупроводнике изменяются и становятся равными n0 + ∆n и p0 + ∆p , аэлектропроводность становится равной

δ =n0eμn + p0eμp + ∆neμn + ∆peμp , (5)

или с учетом выражения (1)

δ= δ0+ δф, (6)

где второе слагаемое и есть фотопроводимость

δф = ∆neμn+ ∆peμp, (7)

Кроме того стоит упомянуть про световой терменвокс. Терменвокс это музыкальный инструмент, который был изобретён советским учёным Львом Терменом.

Описание экспериментальной установки

Установка состоит из трёх частей:

1) Оптический терменвокс

2) Штатив с лампой и набор световых фильтров разных цветов

3) Микрофон и программа Audacity для записи звуковой волны.

Для создания оптического терменвокса используется

Таблица 1. Элементы терменвокса

Первый аналоговый пин платы подключаем между резистором на 220 ом и фоторезистором. Вторую ножку фоторезистора уводим на землю, резистор питаем 5 вольтами. Пищалку подключаем к третьему цифровому пину, вторую ножку уводим на минус. (приложение 3-4). [7]

Далее нужно запрограммировать плату. Вот скетч программы со всеми пояснениями к ней. Скетч программы (приложение 2).

Затем нужно собрать фонарь с различными фильтрами. Использую светодиодный фонарик с напряжением 5 вольт. Крепёж происходит на физическом штативе. В роли фильтров будут выступать прозрачные пластиковые стаканчики пяти цветов. Оранжевый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. (приложение 5).

Фоторезистор освещается с помощью фонарика. Терменвокс издаёт звук. Запишем на микрофон чистое звучание терменвокса, если на него не падает свет.

Рисунок 7. Вид звуковой волны без попадания света.

Запишем его звучание. Изменим условия ещё раз, но другим способом. Наложим оранжевый световой фильтр. После того как все звучание со всеми фильтрами записано, опускаем лампу на расстояние 40 сантиметров. Проводим это операцию до того как лампа опустится на 10 сантиметрами над фоторезистором. После записи звука, проведём анализ полученных данных.

Таблица 2

С помощью визуального анализа графиков звучания, можно заметить. Как от тёплого, оранжевого цвета с его резкими перепадами высот, график у фиолетового цвета приходит к однотонному звучанию. Это соответствует диапазону частот видимого спектра света.

(приложение 6).

График 1. Световой спектр в Гц

Заключение

В ходе выполнения работы была изучена специальная литература на тему аудиооптики. Рассмотрены принципы работы и свойства фоторезистора. Была собрана, экспериментальная установка и запрограммирована плата ArduinoUno. Проведены измерения зависимости света и звука.

Был разработан новый метод исследования зависимости света и звука, который мне не встречался в изученных источниках.

Дальнейшее направление этого исследования заключается в выводе физической формулы и представление результатов с использование математического аппарата.

Используя результаты моего исследования, возможно, создать носимый гаджет для слепых людей, который будет способен переводить цвета в звук. Тем самым позволяя слепым людям “услышать цвет”.        

Есть возможность, применения этой технологии в машинном зрении, как альтернатива существующим методам определения цвета машиной. К примеру, для автопилота автомобилей и определения цвета светофора.

Проведённая работа углубила мои знания по физике, робототехнике и программированию. Исследование дало мне ценный опыт необходимый для выбора будущей специальности и подготовки к поступлению в ВУЗ.

Список литературы

1. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа. 1989. – 423 с.

2. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам; под ред. К. В. Шалимовой. – М.: Высшая школа. 1968. – 464 с.

3. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: Советское радио. 1970. – 591 с.

4. http://wiki.amperka.ru/

5. http://www.nkj.ru/

Приложение

Приложение 1

На изолирующую подложку 1 наносится тонкий слой полупроводника 2. По краям этого слоя наносят металлические электроды 3. Для предохранения фоточувствительного слоя его лакируют, в области спектральной чувствительности материала. Прибор заключен в защитный корпус соткрытым окном. Электроды 3 соединяются с выводными клеммами, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь последовательно с источником напряжения, как показано на рис.1.

Рисунок 1. Схема фоторезистора

Приложение 2

#define BUZZER_PIN  3

#define LDR_PIN     A0

voidsetup()

{

}

voidloop()

{

intval, frequency;

// считываем уровень освещённости так же, как для

  // потенциометра: в виде значения от 0 до 1023.

  val = analogRead(LDR_PIN);

  // рассчитываем частоту звучания пищалки в герцах (ноту),

  // используя функцию проекции (англ. map). Она отображает

  // значение из одного диапазона на другой, строя пропорцию.

  // В нашем случае [0; 1023] -> [200; 2000]. Так мы получим

  // частоту от 200 Гц до 2 кГц.

  frequency = map(val, 0, 1023, 200, 2000);

  // заставляем пин с пищалкой «вибрировать», т.е. звучать

  // (англ. tone) на заданной частоте 20 миллисекунд. При

  // cледующих проходах loop, tone будет вызван снова и снова,

  // и на деле мы услышим непрерывный звук тональностью, которая

  // зависит от количества света, попадающего на фоторезистор

  tone(BUZZER_PIN, frequency, 20);

}

Скетч – код программы на языке программирования С++

Рисунок 4.Схема устройства

Приложение 4

Рисунок 6 Собранный терменвокс

Приложение 5

Рисунок 6. Штатив с лампой

Приложение 6

Таблица 3.Диапозон длин  и частот волн