Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

1.0 1.1 1.2

Таблица 13.3

700 860

Указания по проведению измерений

Собрать схему (рис.13.5)

На блоке управления ИПС1 регулятором интенсивности излучения установите значение J/J₀ в диапазоне 1.0–1.2; выберете режим измерения

величине Ф = J/J0 =0.1 с шагом напряжения U =1В. Его значения занести в табл. 13.1.

Снять семейство вольтамперных характеристик (зависимость величи-

ны фототока I от напряжения U) для трёх значений длины волны λ с шагом напряжения U =1В.

Результаты измерений занесите в таблицу 13.1. Истинное значение

фототока равно разности светового I и темнового Iт токов: I ф = I − Iт .

Снять семейство световых характеристик (зависимость тока насыще-

ния Iн от величины светового потока Ф = J J0 ). Измерения выполнить при фиксированном значении напряжения U из диапазона 18–22 В для двух длин волн с шагом по J J₀ = 0,1. Выбранное значение напряжения U и темнового тока Iт занести в верхнюю часть таблиц 13.2 и 13.3. Результаты измерений занесите в таблицу 13.2.

Снять спектральную характеристику фотоэлемента (зависимость ве-

личины фототока насыщения I _н = I − I_т от длины волны λ ) используя все 8

92

длин волн, значения которых написаны на крышке стенда СЗ-ОК1 и в табл. 13.3. Измерения выполнять при фиксированном значении напряжения U, как указано в п. 5, и фиксированном значении величины светового потока Ф = J J0 , значения которых занести в верхнюю часть табл. 13.3. Результаты из-мерений занести в табл. 13.3.

Задание по обработке результатов измерений

Используя результаты измерений в табл. 13.1 построить на миллимет-

ровой бумаге графики зависимостей величины фототока Iф от ускоряющего

напряжения U:

для трех значений длин волн

λ

(вольтамперные

характеристики фотоэлемента). Укажите примерно, при каком напряжении Uн достигается фототок насыщения Iн . С чем связана зависимость фототока

насыщения

н

от длины волны

λ

?

2. Постройте на миллиметровой бумаге световые кривые

f (Ф)_{U = const , λ=const} по результатам измерений, полученным в табл. 13.2.

По результатам измерений из табл. 13.3 постройте на миллиметровой

По ней определите красную границу фотоэффекта да A_вых электронов из фотокатода.

кр

а также работу выхо-

Контрольные вопросы

В чём состоит явление внешнего фотоэффекта?

Объясните принцип работы фотоэлемента.

Что такое красная граница фотоэффекта?

Объясните вид вольтамперной характеристики фотоэлемента.

Что такое задерживающий потенциал? От чего он зависит?

Лабораторная работа 14. Исследование внутреннего фотоэффекта

Цель работы: изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

Схема установки для исследования внутреннего фотоэффекта изобра-жена на рис. 14.1 , где ФС – фотосопротивление (типа ФС – Al); PU – вольт-метр; РА – микроамперметр; R – реостат; S_Э эталонная лампа накаливания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптической скамье.

93

Рис. 14.2. Структура энергетических зон

Рис. 14.1. Схема для исследования внутреннего фотоэффекта

Общие сведения

Явление уменьшения электрического сопро-тивления вещества под действием излучения было открыто в 1873 г. Его причиной является перерас-пределение электронов по энергетическим состоя-ниям в полупроводниках и диэлектриках, проис-ходящее под действием света, которое впослед-ствии было названо внутренним фотоэффектом.

Состояния электронов в атоме характеризу-ются только вполне определенными значениями энергии, которые называют энергетическими уровнями. В твердом теле отдельные уровни энер-

гии электронов в атомах трансформируются в энергетические зоны (рис. 14.2), имеющие конечную энергетическую ширину.

Зону энергий, соответствующую наивысшему заполненному электронами уровню, называют валентной зоной, так как состояния с этими значениями энергии заполняются валентными электронами атомов. Ближайшую к валент-ной энергетическую зону, соответствующую не занятой электронами разре-шенной совокупностью состояний, называют зоной проводимости.

Электроны в зонах с полностью заполненными состояниями не дают вклада в электропроводность кристалла, так как все разрешенные состояния

зоне заняты и перемещение из одного места в другое невозможно. Если энергетическая зона заполнена электронами неполностью, то ее электроны при наложении электрического поля могут создавать ток. При переходе из валентной зоны в зону проводимости электрон становится носителем тока (отсюда и название зоны). Однако и образовавшееся при этом свободное со-

94

стояние валентной зоны (дырка) ведет себя как свободный носитель тока. За-полняясь электронами с нижележащих уровней, дырки перемещаются по направлению поля как положительные заряды (+e).

Чтобы обеспечить электропроводность полупроводника, необходимо сообщить электронам некоторую энергию, которая определяется шириной запрещенной зоны. Так как ширина запрещенной зоны полупроводников не-велика, то даже в отсутствие освещения в полупроводнике происходит не-прерывная генерация электронов и дырок, обусловленная тепловыми колеба-ниями решетки. Наряду с генерацией носителей тока осуществляется и об-ратный процесс – рекомбинация, т. е. переход электронов из состояний зоны проводимости в состояния валентной зоны.

результате одновременно протекающих процессов тепловой генера-ции и рекомбинации в полупроводнике устанавливается равновесная концен-

трация электронов ni и дырок pi , зависящая от температуры и ширины за-прещенной зоны. Для собственного полупроводника (то есть полупроводни-ка свободного от примесей) эти концентрации можно считать равными. Соб-ственная концентрация носителей заряда обуславливает так называемый темновой ток (ток в отсутствие освещения).

Удельная электропроводность (величина, обратная удельному сопротив-лению σ = 1 ρ ) зависит от концентрации и подвижности свободных носите-лей зарядов и определяется соотношением. Для полупроводников σ опреде-ляется соотношением

σ = e(μ	n	n + μ	p	p ) = e(μ	n

μ

)n

,

где e – электрический заряд электронов, n и p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике, μn и μ p – подвижность электронов и дырок, и

учтено, что в случае собственной проводимости p = n .

При освещении полупроводника светом с энергией фотонов

hνεg

(рис. 14.2) появляется дополнительный механизм генерации заряда – фотогенерация, который приводит к избыточной концентрации электронов

n и дырок p относительно равновесной ni и pi , и, следовательно, к уве-

личению проводимости полупроводника. Увеличение проводимости полу-проводника под действием света называется фотопроводимостью. Величина фотопроводимости собственных полупроводников определяется выражением

σ ф = e(μ n + μ p ) n

(14.1)

95

Однако, не каждый фотон, попавший на поверхность полупроводника, породит фотоэлектрон. Часть фотонов отражается от поверхности полупро-водника. Значительная часть фотонов отдает свою энергию остову кристал-лической решетки, то есть их энергия превращается в тепло. Только незначи-тельная часть фотонов порождает фотоэлектроны.

В результате количество вышедших фотоэлектронов dN_e оказывается