random books / Зубова И.И., Гришина С.Ю., Гольцова Л.И. - Практикум по физике (ч3. Оптика. Квантовая и атомная физика) (2015)

величинами.

Контрольные вопросы

1.Что называется световым потоком?

2.Каковы границы видимой части спектра?

3.Что называется освещенностью?

4.В каких единицах измеряются световой поток, сила света, освещенность?

5.В чем проявляется физиологическое действие света?

6.Приведите примеры физико-химического действия света?

РАБОТА № 3.11 ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ФОТОРЕЗИСТОРОВ

Цель работы: ознакомиться с явлением фотопроводимости, с принципом работы фоторезисторов. Исследовать их основные свойства.

Приборы и принадлежности: исследуемые фоторезисторы, вольтметр, потенциометр. лампа накаливания, ирисовая диафрагма, микроамперметр, объектив.

Введение Фотоэлектрические преобразователи являются первичными датчиками

при измерении световых величин электрическими методами. Они подразделяются на следующие типы:

1)фотоэлементы с внешним фотоэффектом;

2)фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фоторезисторы;

3)фотоэлементы с запирающим слоем, так называемые, вентильные фотоэлементы.

Все три типа преобразователей принципиально отличаются друг от друга по природе процессов, проходящих в них под действием световой энергии. В данной работе необходимо познакомиться с приборами, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. Исторически вначале был изучен внешний фотоэффект.

Явление внешнего фотоэффекта заключается в том, что при попадании на поверхность металла светового потока электроны металла поглощают энергию световых лучей, тем самым приобретая дополнительную энергию. Если этой энергии достаточно для совершения работы выхода, то электроны уходят с поверхности металла. Это явление было открыто русским ученым А. Г. Столетовым.

Опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1.Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е.

минимальная частота света νкр при которой еще возможен внешний фотоэффект. Величина νкр зависит от химической природы вещества и

61

состояния его поверхности.

3. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света

I=k·Ф. (11.1)

4. Опыт показывает, что фотоэффект практически безынерционен. Трудности истолкования первого и второго законов с позиций волновой оптики привели А.Эйнштейна к созданию теории, объясняющей фотоэффект с точки зрения квантовых представлений. В соответствии с законом сохранения энергии энергия фотона, поглощенного веществом, частично расходуется на совершение работы выхода электроном Авых, а частично превращается в кинетическую энергию фотоэлектрона, т. е.

где m — масса электрона;

υmах — максимальная скорость электрона; h — постоянная Планка (6,6З·10-34Дж·с); ν— частота падающего света;

Авых — работа выхода электрона из металла.

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (для металлов). Оно объясняет экспериментальные законы фотоэффекта:

1.Чем выше частота падающего света, тем большей скоростью обладают электроны, вылетающие из металла.

2.Из этого же уравнения следует, что электрон может выйти из металла только в том случае, если частота света превышает некоторую граничную частоту, называемую красной границей фотоэффекта. Ее можно определить из уравнения (11.2), полагая в нем υmах = 0,тогда

Тогда очевидно, что металлы с малой работой выхода являются более чувствительными в фотоэлектронном отношении. Поэтому в фотоэлементах в качестве фотокатодов применяются щелочные металлы и их окислы.

3. Интенсивность света определяет количество фотонов, падающих на металл. Каждый фотон поглощается одним электроном.

4. Эффект, безынерционен вследствие того, что процесс поглощения фотона электроном происходит мгновенно, не требуется времени для накапливания энергии.

В кристаллических полупроводниках и диэлектриках наблюдается внутренний фотоэффект. Это явление состоит в том, что под действием

62

падающего света увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей заряда (электронов проводимости и дырок).

Это явление часто называется фотопроводимостью. Его можно легко объяснить на основе зонной теории твердых тел. Напомним, что в диэлектрике и беспримесном полупроводнике зона проводимости не содержит электронов, а лежащая ниже нее валентная зона проводимости целиком заполнена электронами. Разность Е между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации полупроводника (см. рис. 11.1).

У полупроводника Е значительно меньше, чем у диэлектрика. Она равна 0,1—2 эВ, а у диэлектрика более 2 эВ. Если энергия падающего фотона hν больше или равна Е, то при поглощении фотона электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в свободной зоне появляется электрон, а в валентной зоне — положительная дырка.

Рис. 11.1

Эти пары разноименно заряженных носителей тока способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Очевидно, что концентрация электронов проводимости и дырок, а также зависящая от нее электропроводность вещества пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности вещества за единицу времени, т. е. интенсивности монохроматического света. А это значит, что для фоторезисторов выполняется третий экспериментальный закон и справедливо уравнение

(11.1).

Для внутреннего фотоэффекта также существует красная граница. Это та минимальная частота света, при которой возможна фото провод им ость данного вещества, т. е.

При включении фоторезисторов в электрическую цепь и для их работы необходимо, также как и для фотоэлементов с внешним фотоэффектом, наличие в ней источников питания. Однако при этом нет необходимости в соблюдении полярности.

Фоторезисторы, в отличие от фотоэлементов, не обладают

63

односторонней проводимостью, а проводят ток в обоих направлениях. Конструкция фоторезисторов крайне проста. В большинстве случаев она представляет собой нанесенный на стеклянную пластинку тонкий слой светочувствительного полупроводника с двумя т окоп ров од я щи ми электродами.

В связи с тем, что работа фоторезистора сильно зависит от влажности окружающей среды, светочувствительный слои покрывают прозрачным лаком. В качестве светочувствительного слоя применяют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут и сернистый кадмий. Наша промышленность выпускает серийно фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФСА) и сернистого кадмия (тип ФСК).

Для изучения работы фоторезисторов экспериментально снимают ряд характеристик:

1.Вольтамперные характеристики фоторезисторов представляют собой зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке, т. е.

Iф = f(u) при Ф = соnst.. Вольтамперные характеристики фоторезисторов представляют собой прямые линии (рис. 11.2).

2.Световые характеристики — это зависимость фототока от светового

потока при постоянном напряжении на фоторезисторе, т. е. Iф = f(ф) при u =

соnst (рис. 11.3).

Рис. 11.2 Рис. 11.3

Для фоторезисторов они нелинейны и имеют тенденцию к насыщению. Как видно из рис. 11.3 особенностью фоторезисторов является наличие тока в цепи в отсутствии светового потока. Этот ток называют темновым фототоком и обозначают Iт. Для разных типов фоторезисторов он достигает от 5 до 50% рабочего фототока.

3. Темновое сопротивление — это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения фоторезистора при нормальном внешнем напряжении:

По экспериментально снятым характеристикам рассчитывают параметры фоторезисторов. К ним относятся:

1. Интегральная чувствительность. Она показывает, какой величины фототок создаётся в фоторезисторе световым потоком в один люмен при

64

постоянном напряжении. Интегральная чувствительность рассчитывается по уравнению

здесь ΔΙф — изменение фототока в мкА; Ф — изменение светового потока, вызывающего изменение

фототока на ΔΙф. Единицей измерения интегральной чувствительности, является

[k]=мкА/лм

2. Удельная чувствительность — это отношение интегральной чувствительности к величине номинального напряжения, приложенного к фоторезистору.

Номинальное напряжение — это напряжение, которое является рабочим для данного фоторезистора, оно дается в паспорте.

3. Зависимость внутреннего сопротивления от светового потока. По вольтамперной характеристике можно построить зависимость внутреннего сопротивления фоторезистора от величины светового потока, т. е, R = f(Ф) (рис. 11.4).

Рис. 11.4

Здесь Rт— темновое сопротивление фоторезистора;

R1 и R2 — сопротивление его при световом потоке Ф2 и Ф1.

4. Световая чувствительность фоторезисторов. Световой чувствительностью фоторезисторов называют отношение изменения внутреннего сопротивления резистора к изменению светового потока. Обозначают эту величину S.

65

Единицей измерения световой чувствительности является [S]=Ом/лм

5. Кратность изменения сопротивления. Под ней понимается отношение темнового сопротивления к сопротивлению при данном световом потоке

Здесь М — кратность изменения сопротивления; Rт— темновое сопротивление фоторезистора;

R1 — сопротивление фоторезистора при данном световом потоке. Величина М для разных типов фото рези сто ров колеблется от нескольких

десятков до нескольких сотен, а для особенно чувствительных фоторезисторов она может достигать даже нескольких сотен тысяч единиц. Кратность изменения сопротивления есть безразмерная величина.

Описание установки

Работа выполняется на установке, схематическое устройство которой изображено на рис. 11.5 и 11.6.

Рис. 11.5

Здесь ФС – фоторезистор, Д – ирисовая диафрагма, Об – объектив, Л – лампа накаливания.

Лампа накаливания помещается в фокус объектива, чтобы создать параллельный пучок света, равномерно освещающий исследуемый фоторезистор.

И р и с о в а я диафрагма ,позволяет изменять световой поток в заранее известном отношении. По краю диафрагмы стоят цифры, указывающие относительное изменение светового потока: 1, 2, 3, 4, 8, 16 и т. д. Это значит, что световой поток

1 — максимальный;

2 — уменьшен в 2 раза; 4 — уменьшен в 4 раза и т. д.

Электрические схемы включения приборов показаны на рис. 11.6.

66

Таблица 11.2

Зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке

U1, В

Ф1 Iф,

мкА

U2, В

Ф2 Iф,

мкА

Таблица 11.3

Зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении

Контрольные вопросы

1.Расскажите об открытии явления фотоэффекта и его экспериментальных законах.

2.Объясните фотоэффект из квантовых представлений.

3.В чем сущность внутреннего фотоэффекта?

4.Что называется внешним фотоэффектом?

5.Что такое красная граница фотоэффекта?

6.Каково устройство фоторезистора?

7.Что такое интегральная чувствительность фоторезистора?

8.Что такое темновой фототок?

9.Что такое световая чувствительность фоторезистора?

10.Что показывает кратность изменения сопротивления?

РАБОТА №3.12 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы: изучить явление внешнего фотоэлектрического эффекта и экспериментально определить постоянную Планка; работу выхода электрона из металла.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный фотоэлемент), нуль-гальванометр, потенциометр, осветитель.

Введение В металле свободные электроны (электроны проводимости) находятся в

своеобразной потенциальной яме глубиной W0 (рис. 12.1). Здесь по оси

68

ординат откладывается энергия, энергетические уровни изображены горизонтальными линиями, электроны – точками.

Согласно положениям квантовой механики, электрон может занимать лишь определенный энергетический уровень, на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, при абсолютном нуле электроны проводимости занимают нижние уровни. Самый верхний уровень, заполненный электронами, называют уровнем Ферми. Энергию , которой обладают электроны, находящиеся на этом уровне, называют энергией Ферми. Для удаления электрона из металла над ним надо совершить работу.

Рис. 12.1

Здесь знак больше относится к случаю удаления электрона с уровня, лежащего ниже уровня Ферми. При удалении электрона с уровня Ферми, работа по удалению электрона из металла достигает минимального значения. Эту работу АВ называют работой выхода электрона из металла. Работа выхода практически не зависит от температуры и является характеристикой металла. У вольфрама, например, она равна 5,3 эВ, у бария–2,5 эВ, у цезия-1,9 эВ.

Явление вырывания электронов с поверхности металла под действием света называют фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэффектом. Согласно квантовой теории, свет – это поток фотонов. Каждый фотон обладает энергией:

где h – постоянная Планка,- частота света.

При взаимодействии фотона с металлом он полностью отдает свою энергию одному из свободных электронов. Если энергия фотона больше работы А, необходимой для удаления электрона с данного энергетического уровня, то электрон может покинуть пределы металла, и при этом будет обладать некоторой кинетической энергией согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта:

69

где h - энергия фотона,

mv2/2 – кинетическая энергия вышедшего из металла электрона, А – работа выхода электрона из металла.

Так как работа А, необходимая для удаления электронов с различных энергетических уровней различна, поэтому согласно уравнению (12.3) фотоэлектроны будут иметь различную кинетическую энергию и скорость. При вырывании электрона с уровня Ферми работа вырывания минимальна, кинетическая энергия и скорость фотоэлектрона в этом случае максимальна.

Явление фотоэффекта широко используется в вакуумных газонаполненных фотоэлементах. Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный баллон сферической формы, половина внутренней поверхности которого покрыта металлом, играющим роль фотокатода К. На рис. 12.2 приведена схема включения фотоэлемента в цепь. Между анодом А и катодом К подается напряжение. При освещении катода фотоэлектроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем, попадают на анод А и по цепи протекает фототок.

Рис. 12.2 Рис. 12.3

Величина фототока зависит от напряжения между анодом и катодом. На рис. 12.3 приведена кривая зависимости фототока от напряжения при неизменной освещенности катода фотоэлемента. Она обладает следующими особенностями:

1.При напряжении U=0 фототок I 0, что свидетельствует о наличии кинетической энергии фотоэлектронов.

2.При увеличении задерживающего напряжения, когда на электрод К подается более высокий потенциал, чем на электрод А, фототок уменьшается не сразу, а постепенно (участок ав, рис. 12.3). В начале задерживаются электроны с малой энергией, затем с большей и при запирающем напряжении U=Uзап – с максимальной энергией.

3.При достаточно большом ускоряющем напряжении фототок

достигает тока насыщения I=Iн (участок сd).

Фототок через фотоэлемент становится равным нулю, когда работа задерживающего поля еUзад становится равной максимальной кинетической

70