Задание 2. Определение числа фотоэлектронов, выбиваемых из катода в единицу времени

1. Подключить прибор в сеть. Включить источник света и дать лампе прогреться в течение двух минут. Установить светофильтр, указанный преподавателем, в гнездо.

2. Убедиться, что выключатель устройства стоит в режиме «ОБРАТНАЯ». Плавно увеличивая напряжение на аноде до , измерить зависимость фототока I от напряжения U.

3. Переключить измерительное устройство выключателем на режим «ПРЯМАЯ». Плавно увеличивая напряжение на аноде, измерить зависимость фототока I от напряжения U до тех пор, пока величина фототока достигнет насыщения. Результаты измерений записать в таблицу 15.

4. Повторить пп. 2 – 3 два раза, изменяя интенсивность света ручкой регулировки освещенности.

5. Построить вольт-амперную характеристику фотоэлемента. По характеристике определить ток насыщения .

6. Определить число фотоэлектронов, выбиваемых из фотокатода в единицу времени:

,

где  – заряд электрона. Результаты измерений записать в таблицу 15.

 

Таблица 15. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

№	U, В							, мкА	N
1	I, мкА
2
3

Требования к содержанию и оформлению отчета

После выполнения лабораторной работы студент представляет отчёт в следующей форме:

1. Сведения о лабораторной работе:

· номер лабораторной работы;

· название лабораторной работы;

· цель и задачи работы;

· приборы и принадлежности.

2. Методика эксперимента:

· схема установки;

· расчётные формулы.

3. Результаты измерений:

· номер таблицы;

· название таблицы;

· таблица с указанием в графах физических величин, единиц их измерения, погрешностей полученных величин.

4. Графическое представление результатов:

· указать физические величины, отложенные по осям координат, и единицы их измерения;

· построить графики.

5. Оценка погрешностей:

· вывод расчётных формул для вычисления погрешностей;

· вычисление погрешностей измеренных в эксперименте величин;

· вычисление погрешностей косвенных измерений.

6. Выводы:

· краткое изложение полученных результатов;

· результаты, полученные из графиков;

· соответствие или несоответствие результатов полученных экспериментальным путем, причины несоответствия.

Критерии результативности лабораторной работы

Лабораторная работа считается выполненной, если студент:

· получил экспериментальные и расчетные данные, соответствующие действительным результатам лабораторной работы;

· выполнил все расчеты согласно требованиям таблиц экспериментальных данных;

· правильно оценил погрешности измерений;

· сформулировал выводы о проделанной работе;

· представил индивидуальный письменный отчет, оформленный в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями;

· подготовил ответы на все контрольные вопросы данной лабораторной работы.

Контрольные вопросы

1. Как устроен фотоэлемент с внешним фотоэффектом?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Что называют током насыщения фотоэлемента?

4. При какой частоте падающего света наблюдается фотоэффект? Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Почему с увеличением фотоосвещенности увеличивается фототок при одном и том же напряжении на контактах фотоэлемента?

6. По какому закону увеличивается освещенность фотоэлемента при его приближении к источнику света?

7. Как объясняется увеличение фототока при повышении напряжения на контактах фотоэлемента при неизменном освещении?

8. Изобразите схематично фотоэлемент с внешним фотоэффектом, назовите его элементы и объясните принцип работы

9. По построенной вольт-амперной характеристике фотоэлемента поясните понятие области насыщения.

10. Как зависит выходной ток от освещенности фотоэлемента? Объясните эту зависимость.

11. Как формулируются законы внешнего фотоэффекта?

12. Подтверждаются ли в данной работе законы фотоэффекта?

13. Запишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и проанализируйте ее. Какие составляющие формулы Эйнштейна подтверждаются выполненной лабораторной работой?

14. Какое напряжение называется запирающим, от чего оно зависит?

15. Какая особенность фотоэффекта не объясняется волновой теорией света?

Список литературы

1. Детлаф А. А. Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие. – 8-е изд., стер. – М.: Академия, 2009. – 720 с.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 т. Т. 1. Механика: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2011. – 352 с.

3. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2012.

4. Трофимова Т. И. Физика в таблицах и формулах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим специальностям. – 3-е изд., испр. – М.: Академия, 2009. – 448 с.

Лабораторная работа № 9

Запрещенная зона полупроводника

Цель работы

– Ознакомление студентов с изучением зонной теорией вещества.

9.2. Задачи работы:

– Исследование вольт-амперных характеристик фотосопротивления.

– Вычисление интегральной чувствительности фотосопротивления.

– Оценка ширины запрещенной зоны фотосопротивления.

Введение

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение). В аэронавигации и военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Они применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически обнаружить нарушения нормального хода различных производственных процессов и останавливать при необходимости.

Также фотосопротивления применяются в качестве датчиков для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток и силу фототока, попадающий на фотоэлемент. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

9.4. Компетенции, формируемые в результате выполнения
лабораторной работы

В результате выполнения лабораторной работы формируются следующие компетенции:

· способность демонстрировать базовые знания в области общенаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в профессиональной деятельности;

· способность проводить эксперименты по заданной методике, обработку результатов, оценку погрешности и достоверности их результатов;

· способность сопоставлять экспериментальные данные с теоретическими положениями;

· способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы.

Перечисленные компетенции формируются через умения:

· работать с измерительными приборами;

· рассчитывать физические величины по экспериментальным данным;

· анализировать результаты опыта;

· оформлять отчет;

а также владения:

· теоретическим материалом;

· навыками измерения физических величин по приборам;

· технологией обработки экспериментальных данных.

Теоретическая часть

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения. Проводимость, возникающую под действием света, называют фотопроводимостью, а полупроводники, в которых это явление имеет место, называют фотосопротивлениями или фоторезисторами.

Фотосопротивление (рис. 26) представляет собой слой полупроводникового материала 1, нанесенного на изолирующую пластину 2. На кроях слоя расположены электроды 4, фотосопротивление монтируется в пластмассовом корпусе 3.

Рис. 26. Схема фотосопротивления: 1 – полупроводниковый материал; 2 – изолирующая пластина; 3 – корпус; 4 – электроды

Внутренний фотоэффект можно рассмотреть на основе зонной теории твердых тел. Согласно зонной теории валентная зона у полупроводников при температуре  полностью занята электронами, а зона проводимости свободна (как у диэлектриков). Ширина запрещенной зоны  у полупроводников составляет порядка . Если приложить разность потенциалов к такому кристаллу, то ток в нем не возникает, так как в зоне проводимости нет свободных носителей заряда, а энергии, которую сообщает внешнее электрическое поле электронам, недостаточно для переброса их из валентной зоны в зону проводимости. Дополнительную энергию, необходимую для преодоления запрещенной зоны, электроны могут получить при нагревании кристалла или при облучении его светом (фотоэффект). В последнем случае электроны получают энергию от поглощения квантов излучения (фотонов). При этом энергия фотона  должна быть равна или больше ширины запрещенной зоны:

,

где n – частота излучения; h – постоянная Планка.

Поглотив фотон, электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости (рис. 27, а). Незаполненное электроном энергетическое состояние в валентной зоне соответствует положительно заряженной квазичастице, называемой «дыркой». Таким образом, каждый фотон освобождает пару «электрон-дырка». Под действием внешнего электрического поля электроны и «дырки» в кристалле движутся упорядочено («дырки» вдоль поля, электроны против поля), обеспечивая собственную проводимость полупроводника.

Концентрация пар «электрон-дырка» и фототок пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности кристалла за единицу времени, то есть интенсивности света.

У некоторых полупроводников, таких как антимонида индия в отсутствии освещения при комнатной температуре в зоне проводимости может находиться небольшое число термически возбужденных электронов. Они будут создавать темновую проводимость полупроводника и темновой ток.

Если частота n падающего света такова, что энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны ( ), то фотоэффект не наблюдается. Граничная частота , ниже которой фотоэффект не наблюдается, называется красной границей фотоэффекта (или фотопроводимости).

Для каждого вещества она имеет свое значение, определяемое шириной запрещенной зоны:

.

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать при поглощении фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, т.е. ( ). Это связанно с тем, что в примесном полупроводнике в запрещенной зоне имеются дополнительные уровни энергии, называемые примесными. В зависимости от примесей, примесные уровни могу располагаться между валентной зоной и зоной проводимости по-разному.

 

а	б	в
Рис. 27. Зоны полупроводника: 1 – зона проводимости; 2 – запрещенная зона; 3 – валентная зона; 4 – донорный уровень; 5 – акцепторный уровень

Так в полупроводнике n-типа примесные (донорные) уровни расположены вблизи «дна» зоны проводимости и полностью заняты электронами при температуре  (рис. 27, б). При поглощении фотона с энергией  происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости. В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся для полупроводников n-типа чисто электронной.

В полупроводнике р-типа примесные (акцепторные) уровни расположены вблизи «потолка» валентной зоны (рис. 27, в). При температуре  акцепторные уровни свободны. Под действием света электроны из валентной зоны переходят на акцепторные уровни, если энергия падающих на кристалл фотонов . В валентной зоне образуются «дырки», которые обуславливают «дырочную» фотопроводимость.

Фотосопротивление

Важнейшими характеристиками фотосопротивления являются его чувствительность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излучения (спектральная характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление, зависимость чувствительности от освещенности (световая характеристика), а также вольт-амперные характеристики темнового, светового и фототока.

Вольт-амперные характеристики фотосопротивлений – это зависимости фототока от приложенного напряжения при постоянной освещенности. Для некоторых фоторезисторов они линейны в широкой области изменения напряжений. При очень больших освещенностях линейность этих зависимостей нарушается за счет нагрева чувствительного слоя фотосопротивления.

Отношение фототока к вызвавшему его появление лучистому потоку называется интегральной токовой чувствительностью:

,

(1)

где  – лучистый поток, Е – освещенность, S – площадь освещаемой поверхности фотосопротивления.

Если фотоэлемент последовательно освещать монохроматическими источниками с разными длинами волн λ, имеющими одинаковую интенсивность, то величина фототока будет зависть от длины волны падающего света. Поэтому наряду с интегральной чувствительностью вводится понятие спектральной чувствительности.

Спектральная чувствительность  измеряется отношением силы фототока к величине падающего на фотоэлемент потока световой энергии  в узком интервале длин волн от l до :

.

Согласно закону Стефана-Больцмана поток световой энергии  пропорционален спектральной плотности излучательной способности  спирали источника света (в частности вольфрама). Однако  зависит от многих трудно учитываемых факторов таких как потери света во входной и выходной щелей, потемнение со временем баллона лампы накаливания и т.п. Поэтому спектральную чувствительность фотоэлемента можно будет определить:

.

(2)

Опыт показывает, что максимум спектральной чувствительности фотоэлемента наблюдается в том случае, когда энергия поглощенного кванта e сравнима с шириной запрещенной зоны  полупроводникового материала. Поэтому по зависимости  можно оценить ширину запрещенной зоны Se или другого полупроводникового материала, из которого сделан фотоэлемент по формуле

,

(3)

где  – длина волны соответствующая максимальному значению .

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от напряжения. Поэтому при задании чувствительности необходимо либо указать рабочее напряжение, либо использовать понятие удельной чувствительности:

,

где U – приложенное напряжение.

Описание установки

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 28. Тумблер 2 подает ток на фотосопротивление, а тумблер 1 включает лампочку 4. Ручка потенциометра 3 установленная на переднем щитке установки изменяет напряжение на фотосопротивлении. Фотосопротивление и источник света 4 находятся в кожухе. Световой поток от лампочки накаливания 4 попадает на фотосопротивление через светофильтр 5. Вилка 8 подсоединяется к источнику тока.

 

---

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 1373; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!