Изучение внешнего и вентильного фотоэффектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Ростовский государственный университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по общей физике

Изучение внешнего и вентильного фотоэффектов

Евсеева Р.Я.

Ростов-на-Дону 1998



ВВЕДЕНИЕ

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, самое важное место занимает фотоэлектрический эффект, т.е. испускание электронов веществом под воздействием света.

Фотоэффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и изучен профессором МГУ Столетовым в 1888 году. Схема опытов Столетова представлена на рисунке I.

Электрическая цепь состоит из батареи элементов е и конденсатора С, положительно заряженная пластинка которого сделана в виде сетки. Свет от источника S проходит через сетку и падает на отрицательно заряженную пластинку. В отсутствие освещения гальванометр показывает ноль, при включении освещения гальванометр регистрирует появление фототока. Столетов установил следующие закономерности:

1. Наиболее эффективно действуют ультрафиолетовые лучи.

2. Сила фототока пропорциональна освещенности.

3. Под действием света освобождаются отрицательные заряды.

4. Ток прекращается мгновенно при выключении света.

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.

Внешний фотоэффект - это испускание электронов освещаемой поверхностью металла.

Внутренний фотоэффект - это увеличение электропроводности при освещении неметаллических тел (кристаллы, полупроводники, жидкости).

Вентильный фотоэффект - это увеличение электропроводности при освещении запирающего слоя, возникающего в контакте двух полупроводников.



ЗАКОНЫ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1. Зависимость силы фототока I от приложенной к электродам разности потенциалов U.

Эта зависимость представлена на рисунке 2, из которого видно, что с ростом U растет и I. При некоторой разности потенциалов ток достигает максимального постоянного значения (ток насыщения I_n), при определенной тормозящей разности потенциалов U_Т ток падает до нуля.

2. Зависимость тока насыщения от интенсивности падающего света.

Сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему световому потоку:

, (1)

где г_э - интегральная энергетическая чувствительность данной поверхности, численно равна силе фототока, измеряется обычно в А/лм. Из рисунка 2 видно, что при Ф₂ > Ф₁ сила фототока насыщения I_2н > I_1н.

3. Зависимость скорости фотоэлектронов от частоты света.

С увеличением частоты света скорость фотоэлектронов возрастает и не зависит от интенсивности излучения.

Наличие тока I при отрицательном потенциале U_Т указывает на то, что электроны вырываются светом из тела с некоторой начальной скоростью.

Электроны перестают достигать анод, когда работа задерживающего электрического поля eU_Т становится равной их начальной энергии:

(2)

Измерения показали, что U _r является линейной функцией частоты

где k и U₀ - постоянные.

Подставив U_т из (2) и (3), можно получить

Из (4) следует: начальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно с частотой света н, что отображено на рисунке 3. Частота, при которой электроны не вырываются с поверхности металла, называется красной границей фотоэффекта. Из (4) при v = 0 следует, что

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА

Сущность фотоэффекта вскрывает квантовая теория излучения, согласно которой излучение света происходит отдельными порциями - квантами. Энергия одного кванта

(6)

где h - постоянная Планка, н - частота падающего света.

Если на поверхность металла попадает квант света hн, то часть этой энергии идёт на работу по вырыванию электрона с поверхности металла (работу выхода А),

остальная часть энергии идёт на сообщение электрону кинетической энергии, что видно из уравнения Эйнштейна

(7)

где m - масса электрона, v - максимальная скорость электрона, освобождённого квантом света.

Уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения и превращения энергии для случая взаимодействия света с веществом. Из него вытекают все законы, установленные Столетовым. В частности, из (7) красная граница фотоэффекта определяется так

(8)



ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ФОТОТОКА ОТ ДЛИНЫ ВОЛНЫ

Исследования показали, что с ростом длины волны падающего света для большинства металлов сила фототока уменьшается, что видно из рисунка 4. При некоторой длине волны л_кр (красная граница фотоэффекта) сила фототока равна нулю. У ряда металлов, особенно щелочных, для которых красная граница лежит ближе к инфракрасной области спектра, наблюдается следующая особенность.

Сила тока имеет резко выраженный максимум (см. рис. 5) для определенного спектрального участка, быстро спадая по обе его стороны (селективный или избирательный фотоэффект).

Селективность фотоэффекта напоминает резонансные эффекты. Как будто электроны в металле обладают собственной частотой колебаний, при совпадении которой с частотой света возрастает амплитуда колебаний электронов и они вырываются с поверхности металла.



ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ

Простейший тип вакуумного фотоэлемента, действие которого основано на внешнем фотоэффекте, изображен на рисунке 6. Он представляет собой небольшой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри чувствительным слоем. В зависимости от того, для какой спектральной области предназначен фотоэлемент, употребляют разные слои: серебряный, калиевый, цезиевый, сурьмяно-цезиевый и т.д. Этот слой служит катодом К. Анод обычно берется в виде кольца А. Между катодом и анодом с помощью батареи возбуждается разность потенциалов. При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента тока нет. При попадании света на катод в цепи

возникает ток. Для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют каким-либо инертным газом при небольшом давлении.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

Фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое, так называемом вентильном фотоэффекте, непосредственно превращают падающую на них лучистую энергию в электрическую, являясь, таким образом, генераторами электрической энергии, хотя очень малой мощности. Они не нуждаются в источнике внешнего напряжения, как фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом.

Возникновение вентильного фотоэффекта наблюдается в системах, состоящих из контактирующих друг с другом электронного и дырочного полупроводников. В этом случае на границе двух полупроводников с различными

механизмами проводимости возникает так называемый р-п переход вследствие взаимного проникновения основных носителей. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей и способствует движению неосновных носителей (см. рис. 7). В результате установится равновесие I₀ = I_н и тока через контакт не будет.

Рис. 7

При освещении р-полупроводника светом освобождаются электроны и дырки. Освобождённые носители перемещаются из области, где они созданы и имеются в повышенном количестве, к местам, где их мало. Если расстояние от освещаемой поверхности до р-п перехода мало, все электроны, генерируемые светом, будут переходить в п-область. Дырки же, напротив, будут задерживаться контактным

полем и оставаться р-области. Происходит накопление основных носителей тока. Теперь I₀ не равно I_н, , т.е. через р-п переход в запорном направлении пойдет ток, который на сопротивлении р-п перехода создает разность потенциалов, уменьшая контактную разность потенциалов. Этот фототок равен I_ф=en , где е - заряд электрона, n - число электронов (число пар), создаваемых светом в одну секунду. Параллельно с ростом концентрации носителей тока возрастает создаваемое ими электрическое поле, которое препятствует их дальнейшему переходу через запирающий слой. В некоторый момент наступает динамическое равновесие, т.е. число перемещающихся неосновных носителей тока через запирающий слой будет одинаковым в одном и другом направлениях, и между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, так называемая электродвижущая сила.

Основными изучаемыми характеристиками вентильных фотоэлементов являются вольтамперные, световые и спектральные характеристики.

Вольтамперные характеристики представляют собой зависимость фототока I _Ф ,генерируемого освещённым фотоэлементом, от приложенного напряжения U при включении его на различные нагрузочные сопротивления R (см. рис. 8). Точки пересечения вольтамперной характеристики с осью абсцисс дают электродвижущую силу фотоэлемента, а с осью ординат - величину тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания пропорционален силе падающего света, а э.д.с. будет стремиться к насыщению при изменении освещённости фотоэлемента. Током короткого замыкания обычно определяется чувствительность фотоэлементов. Различают интегральную и спектральную светимость.

Рис. 8



Интегральная чувствительность фотоэлемента г_u - это отношение фототока короткого замыкания I_к к падающему световому потоку белого света Ф:

. (9)

Спектральная чувствительность - это отношение тока короткого замыкания I_к к световому потоку монохроматического излучения Ф_л с длиной волны л:

, R=0

фотоэлектрический вакуумный вольтамперный вентильный

Характерно, что чувствительность резко зависит от спектрального состава излучения.

Спектральные характеристики выражают зависимость силы фототока на единицу энергии от длины волны падающего света. В большинстве случаев спектральная характеристика имеет один ярко выраженный максимум (см. рис. 9). Наиболее близкими по спектральной характеристике к человеческому глазу являются селеновые фотоэлементы, у которых максимум приходится на длину волны 0.59 мк.

Световые характеристики вентильных фотоэлементов выражают зависимость силы фототока (или - фотоэлектродвижущей силы) от величины падающего светового потока Ф. Эти зависимости отступают от линейности тем более заметно, чем больше величина сопротивления внешней цепи. Так из рисунка 10 видно, что с увеличением интенсивности светового потока величина фотоэдс возрастает, достигая насыщения при больших освещённостях.

Структура вентильного фотоэлемента схематически изображена на рисунке 11. Кристаллический селен (слой 3), из которого состоит основной слой полупроводника в селеновых фотоэлементах, имеет дырочную проводимость. На него наносится полупрозрачный слой металла (слой 1), атомы которого диффундируют в селен, поэтому приповерхностный слой селена приобретает электронную проводимость (слой 2). Свет, проходя через полупрозрачный слой металла 1 и тонкий запирающий слой 2, попадает в основной полупроводник 3, но не проникает глубоко вследствие поглощения. Возникающая фотоэдс снимается с металлических электродов 1 и 4.

Фотоэффект (как внешний, так и внутренний) используется в фотоэлектронных приборах (фотоэлементы, фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлектронные умножители), получивших разнообразные применения в науке и технике (в телевидении, космической технике).

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Описание установки

Осветительная лампа Л и фотоэлемент (ФЭ) помещены в светозащитные кожухи на рейтерах оптической скамьи (ОС) (см. рис. 12).

Расстояние между лампой и фотоэлементом изменяют, передвигая рейтер с фотоэлементом, и измеряют по миллиметровой шкале на оптической скамье с помощью указателей на рейтерах.

Лампа накаливания питается от сети с напряжением 220 В.

Электрическая схема подключения фотоэлемента собрана, она представлена на рисунке 13.

СНЯТИЕ СВЕТОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

I = f (E) при U = const

Принимая нить лампы накаливания за точечный источник света, можно воспользоваться законом освещённости

, (10)

где E - освещенность, I - сила света, R - расстояние от источника до фотоэлемента, U - напряжение.

Так как в условиях опыта I = const, то формула (10) даёт возможность при построении графиков заменить E пропорциональной ей величиной 1/R², т.е. фактически снимается зависимость I = f(1/R²).

1. После проверки схемы преподавателем или лаборантом реостат ставят на минимум напряжения с помощью подвижного контакта Д, включают установку в сеть и устанавливают постоянное напряжение по указанию преподавателя.

2. Закрыв окошко фотоэлемента крышкой, убеждаются в том, что в отсутствии света стрелка микроамперметра стоит на нуле (темновой ток лежит за пределами чувствительность прибора). При выключенной лампе убеждаются в том, что микроамперметр не показывает тока при открытом окошке фотоэлемента. Если при этом появляется ток, значит, имеются световые помехи, которые надо ликвидировать.

3. Устанавливают фотоэлемент на таком расстоянии от лампы, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась больше чем на половину шкалы, но не выходила за её пределы. Записывают показания.

4. Удаляя фотоэлемент от лампы по этапам на 5 см, каждый раз записывают значения расстояния и силы фототока. Затем повторяют измерения, возвращая фотоэлемент теми же этапами к первоначальному положению. Усредняют результаты прямого и обратного измерений фототока для каждого расстояния R.

5. Такие же измерения проводят ещё при двух постоянных напряжениях по указанию преподавателя.

6. Результаты измерений заносят в таблицу.

R, см
Iпр, мА
Iобр, мА
Iср, мА
1/R2, 1/см2

7. Строят графики зависимости I = f(1/R²) при трех напряжениях, откладывая на оси абсцисс 1/R², на оси ординат - фототок I.

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕМЕНТА

I_ф = f (U) при E = const

1. Помещают фотоэлемент на некотором расстоянии от лампы по указанию преподавателя. Изменяя напряжение от 0 до 150 В через каждые 10 В, фиксируют силу тока по микроамперметру.

2. Результаты измерений заносят в таблицу.

U, В
Ia, мА

3. Такие же измерения проводят ещё при двух постоянных расстояниях R от лампы до фотоэлемента.

4. Строят графики I = f(U) при трёх значениях освещенности, т.е. при трёх значениях R, откладывая по оси абсцисс значения напряжения, а по оси ординат - значение фототока.



ВЫЧИСЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Как ранее отмечалось, интегральная чувствительность - это отношение силы фототока I_ф к световому потоку белого света Ф, т.е. , но , где E - освещенность в люксах, I - сила света в свечах, S - площадь катода в метрах, R - расстояние от источника света до фотоэлемента в метрах.

Таким образом, интегральную чувствительность можно практически вычислить по формуле .

У нас в лаборатории I = 100 св, S = 4 см² для фотоэлементов СВЦ-4 и ЦГ-4.

ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лампа накаливания питается от стабилизованного напряжения. И лампа, и фотоэлемент укреплены на рейтерах оптической скамьи. Расстояние между фотоэлементом и лампой изменяют перемещением рейтера с фотоэлементом, а измеряют это расстояние по шкале на оптической скамье с помощью указателя на рейтерах. Окошко фотоэлемента и нить накала лампы должны быть на одной прямой.

ИЗУЧЕНИЕ СИЛЫ ФОТОТОКА ОТ ОСВЕЩЕННОСТИ

I = f (1/r²) при R = const

1. Электрическая схема подключения фотоэлемента собрана, она представлена на рисунке 14.

2. Устанавливают внешнее сопротивление R = 0. Изменяя расстояние от фотоэлемента до лампы от 30 см до 70 см через каждые 5 см, измеряют фототок.

3. Данные измерений заносят в таблицу.

r, см
Iф, мА
1/r2

4. Такие же измерения проводят, установив сопротивление внешней цепи 5 КОм и 10 КОм.

5. Строят графики I_ф = f (1/r²) при R = 0 КОм, 5 КОм, 10 КОм, откладывая на оси абсцисс 1/r², а по оси координат I_ф.

СНЯТИЕ ВОЛЬАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

I_ф = f (U) при r = const

1. Используя схему упражнения 1, устанавливают фотоэлемент на расстоянии 30 см от лампы. Изменяя сопротивление от 0 КОм до 10 КОм через 1 КОм, записывают значения фототока.

2. Считая напряжение на фотоэлементе приблизительно равным падению напряжения на сопротивлении R, вычисляют U = I_фR.

3. Данные измерений заносят в таблицу.



R, КОм
Iф, мА
U, В

4. Такие же измерения проводят для расстояний r = 40 см и r = 50 см.

5. Методом экстраполяции кривых до пересечения с осями координат находят ток короткого замыкания I_к и фотоэдс е (см. рис. 8).

ВЫЧИСЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА

Интегральную чувствительность фотоэлемента вычисляют (как и для вакуумного фотоэлемента, см. рис. 13) по формуле . У нас в лаборатории S = 10 см² для селенового фотоэлемента К-10, сила света I = 100 св.

Интегральную чувствительность вычисляют для трех значений освещенности E (или расстояний r) при сопротивлении R = 0.

Строят график , выясняя, как изменяется интегральная чувствительность с изменением освещенности.

СНЯТИЕ ЗАВИСИМОСТИ СИЛЫ ФОТОТОКА ОТ УГЛА НАКЛОНА ФОТОЭЛЕМЕНТА

1. Устанавливают фотоэлемент на расстоянии 40 - 50 см от лампы накаливания.

2. Изменяя угол наклона фотоэлемента через 5 - 10 градусов в одну сторону, а затем в другую, измеряют фототок.

3. Усредняют значения фототока для данного угла наклона фотоэлемента .

4. Данные заносят в таблицу.

б, град
I1, мА
I2, мА
Iср, мА
cos б

5. Строят график зависимости , откладывая по оси ординат силу фототока, а по оси абсцисс - cos б. Учесть, что угол отсчитывается от нормали к плоскости фотоэлемента.



ЛИТЕРАТУРА

1. Г. С. Ландсберг. Оптика. М.: Наука. 1957. С. 541



КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чём заключаются явления внешнего, внутреннего и вентильного фотоэффектов?

2. Каковы законы и закономерности фотоэффекта?

3. Что такое “красная граница фотоэффекта”?

4. Запишите и проанализируйте уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

5. Как зависит сила фототока от длины волны падающего света?

6. Что такое интегральная и спектральная чувствительности фотоэлемента?

7. Как устроены и работают вакуумный и вентильный фотоэлементы?

8. Объясните полученные экспериментальные зависимости на основе законов фотоэффекта.

Размещено на Allbest.ru

...