Краткая теория. Задание 2.1. Проверка закона обратных квадратов

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ФОТОЭФФЕКТА

Лабораторная работа 2

Задание 2.1. Проверка закона обратных квадратов

Приборы и принадлежности: фотоэлемент (селеновый); микроамперметр или универсальный цифровой вольтметр; осветитель; линейка.

Цель задания: экспериментальная проверка закона обратных квадратов.

Фотоэффект устанавливает непосредственную связь между электрическими и оптическими явлениями. Под действием света с поверхностей металлов и некоторых полупроводниковых материалов могут вырываться электроны. Это явление называется внешним фотоэффектом (или внешней фотоэмиссией).

В полупроводниках также наблюдаются внутренний и вентильный фотоэффекты. Внутренний фотоэффект (или фотопроводимость) - явление возникновения внутри полупроводника избыточных носителей тока (электронно-дырочных пар) при поглощении оптического излучения, в результате чего увеличивается проводимость полупроводника.

Вентильный фотоэффект наблюдается при освещении контактной области двух полупроводников n- и p-типов проводимости (p-n-переход) и состоит в возникновении фотоэлектродвижущей силы в отсутствии внешнего поля. Объясняется это следующим образом. При контакте полупроводников n- и p-типов возникает, как известно, контактная разность потенциалов (запирающий слой), таким образом, в области p-n-перехода имеется встроенное внутри поле. При освещении p-n-перехода в p- и n-областях вследствие внутреннего фотоэффекта образуются электронно-дырочные пары, которые, попав в область действия p-n-перехода, будут им разделены так, что электроны перейдут в n-область, а дырки - в p-область. Избыток концентрации электронов в n-области и дырок в p-области и означает возникновение э.д.с. Если на n- и p-области нанести металлические контакты и подсоединить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n-перехода через нее потечет электрический ток. Аналогичные явления возникают и при контакте металла с полупроводником. На описанном принципе работают фотоэлектрические преобразователи, часто называемые солнечными элементами.

Вентильный фотоэффект иначе называют фотоэффектом в запирающем слое.

Приборы, устройство которых основано на явлениях фотоэффекта, называются фотоэлементами. Они очень разнообразны по своей конструкции и типу и находят широкое применение в технике. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом, так называемые вакуумные или газонаполненные, фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, - фоторезисторы и на фотоэффекте в запирающем слое - фотодиоды. В задании 1 используют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем, в задании 2 - электровакуумный фотоэлемент.

Селеновый фотоэлемент (рис. 2.1) представляет собой p-n- переход из селена p-типа А, селенида кадмия n-типа C, нанесенный на стальную подложку М. Фоточувствительный слой защищен от внешних воздействий пленкой прозрачного лака. Если n-слой соединить через гальванометр со стальной подложкой, контактирующей с p-областью, и осветить p-n-переход, то под действием падающего излучения и внутреннего поля p-n-перехода в n-области появятся избыточные электроны, а в p-области - дырки. В результате гальванометр покажет наличие тока I в цепи. Этот ток называется фототоком. В таком фотоэлементе лучистая энергия падающего света непосредственно будет переходить в энергию электрического тока.

Рис. 2.1. Устройство селенового фотоэлемента: А - Se р-типа; С - CdSe n-типа; В - область р-n-типа; М - стальная подложка; G - гальванометр

Освещённостью (при использовании фотометрических величин) называют отношение светового потока к площади освещаемой поверхности. Для количественных определений принят эталон единицы силы света - кандела. За единицу светового потока принимается световой поток, испускаемый внутри единичного телесного угла точечным источником света в одну канделу. Эта единица носит название «люмен». За единицу освещенности принимается освещённость, создаваемая на поверхности сферы радиусом в 1 м помещенным в её центре изотропным источником света, силой света в одну канделу. Эта единица носит название «люкс»: 1 лк = 1 лм / м². Диапазон спектральной чувствительности фотоэлемента - 0,4–0,7 мкм, максимум спектральной характеристики - 0,5–0,6 мкм.

Для точечного источника света освещённость поверхности, т.е. световой поток, падающий на единицу площади, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между источником света и освещённой поверхностью.

Представим себе две концентрические сферы радиусом r' и r", в центре которых помещён точечный источник Р (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Иллюстрация к выводу закона обратных квадратов

Рассмотрим световой поток, излучаемый точечным источником света Р в пределах телесного угла w. Обозначим этот поток Ф (w). Освещённость площадки s', расположенной на первой сфере:

.

Освещённость площадки s'', расположенной на второй сфере:

.

Разделив одно равенство на другое, получим выражение известного закона обратных квадратов:

. (2.1)

Для вывода этого закона сделано три допущения:

1. источник света принят за светящуюся точку;

2. свет не испытывает поглощения в среде, в которой он распространяется;

3. световой поток внутри данного телесного угла однороден.

Эти допущения возможны, поскольку размеры источника света берутся достаточно малыми; свет распространяется в воздухе, где поглощением света при небольших расстояниях можно пренебречь; световой поток для электрических лампочек в пределах направлений, перпендикулярных нитям, на небольших расстояниях можно считать однородным.

На практике приходится измерять не освещенность, а силу фототока при данном освещении фотоэлемента.

Если I' и I'' - силы фототока при освещении поверхностей s' и s'', то, учитывая линейную зависимость фототока от освещенности фотоэлемента, можно записать

. (2.2)

Сравнивая равенства (2.1) и (2.2), имеем

. (2.3)

Следовательно, работа сводится к измерению силы фототока I на различных расстояниях r фотоэлемента от источника света.

Порядок выполнения задания 2.1

На рейтерах оптической скамьи укреплена лампа накаливания и фотоэлемент с запирающим слоем. В качестве осветителя используется лампа накаливания. Фотоэлемент подключается к чувствительному стрелочному микроамперметру. Фотоэлемент должен быть укреплён перпендикулярно к направлению падающих лучей, а его фотоприемная площадка полностью освещена.

1. Установить фотоэлемент на расстоянии 10 см от лампы. Включить лампу сетевым тумблером, записать показания микроамперметра.

2. Последовательно изменить расстояние от фотоэлемента до лампы, передвигая его на 10 см, всякий раз записывая расстояние и показания микроамперметра. Записи ведут при увеличении расстояния и соответствующем уменьшении его, находят среднее значение показаний микроамперметра для каждого расстояния (измерения проводятся не менее трёх раз).

3. Проверить выполнение закона обратных квадратов, построив для этого по экспериментальным данным зависимость I= f(r) и наложив на нее теоретическую кривую

.

Очевидно, что const = r_i²I_i, где r_i и I_i – любая пара экспериментальных значений (так как источник света можно считать точечным только с некоторым приближением, экспериментальные значения лучше взять в достаточно удаленной точке).

Замечание. При проведении измерений следует исключить попадание постороннего света на фотоэлемент.

4. Полученные экспериментальные и расчетные значения занести в табл. 2.1, построить на одном графике экспериментальную и теоретическую зависимости I= f(r).

Таблица 2.1

№ п/п	Расстояние от фотоэлемента до осветителя l, см	Фототок Ii, (при увеличении расстояния), мкА	Фототок Ii, (при уменьшении расстояния), мкА	Среднее значение (измеренное) фототока Iср , мкА	Расчетное значение фототока I, мкА
…	…

Контрольные вопросы к заданию 2.1

1. В чём заключается явление внутреннего фотоэффекта? В каких фотоприемниках оно используется?

2. В чем заключается явление вентильного фотоэффекта?

3. Что такое фотоэлементы и каков принцип действия фотоэлемента, используемого в данном задании?

4. Какие фотометрические величины Вам известны?

5. В чем суть закона обратных квадратов?

Задание 2.2 Изучение внешнего фотоэффекта, снятие вольт-амперной характеристики электровакуумного фотоэлемента

Приборы и принадлежности: электровакуумный фотоэлемент; регулируемый источник питания с изменяемой полярностью; микроамперметр; вольтметр; масштабная линейка; осветитель; оптическая скамья.

Цель задания: снятие вольтамперной характеристики газонаполненного фотоэлемента, проверка законов фотоэффекта.

Дата добавления: 2015-06-04