Министерство образования Российской федерации

Волгоградский государственный педагогический университет

Кафедра общей физики

Лабораторная работа № 31

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА.

Составитель: Ковалева Т.А.

Волгоград 2008

Лабораторная работа №31 Изучение фотоэффекта

Оборудование: установка для изучения законов фотоэффекта.

Краткая теория

Фототок

Фотоэлектроны

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект (фотоэффект), т.е. испускание электронов веществом под действием света. Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.

При внешнем фотоэффекте идет освобождение электронов из освещаемой поверхности вещества и переход их в другую среду, в частности в вакуум. Для внешнего фотоэффекта были установлены следующие основные законы:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е_е катода) (закон Столетова).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота ν₀ света, при которой еще возможен внешний фотоэффект (ν₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности).

Согласно квантовой теории фотоэффекта, свет частотой ν не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε₀=hν. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов. Каждый квант поглощается только одним электроном. Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А_вых из металла и сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

, (1)

где – энергия кванта,

A_вых – работа выхода электрона,

– масса электрона,

– постоянная Планка (h= 6,625∙10^-34Дж∙с)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

4. Фотоэффект безынерционен, т.е. изменения силы тока сразу следуют за изменениями освещенности.

5. Квантовый выход фотоэффекта (отношение числа выбитых фотоэлектронов к числу падающих фотонов) является сложной функцией от частоты; сначала он увеличивается с увеличением частоты, затем проходит через максимум и далее может уменьшаться.

На явлении внешнего фотоэффекта основано использование вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Важнейшими характеристиками фотоэлементов с внешним фотоэффектом являются: 1) чувствительность интегральная и спектральная; 2) световая характеристика; 3) вольтамперная характеристика.

Интегральная чувствительность (2)

спектральная чувствительность (3)

где di_Ф – изменение фототока, вызванное изменением светового потока на величину dФ; dФ_λ – изменение монохроматического потока с длиной волны λ.

Световая характеристика – это зависимость фототока от светового потока (при постоянном напряжении фотоэлемента).

Рис. 1

Вольтамперная характеристика – это зависимость фототока (Iф), образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения (U) между электродами (рис.1)

Наряду с внешним фотоэффектом известен и широко используется в практических целях так называемый внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам.

Вентильный фотоэффект (или фотоэффект запирающего слоя) состоит в том, что при освещении границы раздела между двумя полупроводниками с различными типами проводимости (или полупроводником и металлом) возникает электродвижущая сила. Величина этой эдс возрастает при увеличении лучистого потока и может достигать тока насыщения при большой освещенности. Рассмотрим возникновение фотоэдс на границе раздела двух полупроводников с различными типами проводимости (рис.2.). На границе раздела между полупроводниками с электронной проводимостью (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип) возникает контактное электрическое поле, которое направлено от n к p. При образовании границы раздела между полупроводниками электроны проникают в область дырочной проводимости, т.к. там концентрация электронов будет меньше. Дырки, наоборот, проникают из области дырочной проводимости в область электронной проводимости. Это перемещение носителей создаёт диффузный ток i_д.

Электрическая нейтральность полупроводника вблизи границы раздела нарушается за счёт двух факторов: 1) после перехода электронов и дырок остаются неподвижные ионы (положительные и отрицательные); 2) происходит увеличение концентрации электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном.

Таким образом, вблизи границы раздела возникает объемный заряд и электрическое поле Е_к, направлено от электронного полупроводника к дырочному. Возникающее поле будет препятствовать перемещению электронов из n – полупроводника и дырок из p – полупроводника.

Наряду с диффузным током возникают встречные потоки электронов и дырок, которые перемещаются через границу раздела под действием поля Е_к. Этот поток создаёт ток проводимости i_Е.

В условиях равновесия:

i_Е = i_д. (4)

Установившееся значение электрического поля Е_к называется контактным электрическим полем.

При освещении светом происходит образование пар электрон – дырка (на рис.2. одна из пар обозначена кружком со знаками “плюс” и “минус”). При подходе к контактному слою дырки будут под действием контактного поля проходить в p – полупроводник, электроны, наоборот, будут отбрасываться в n – полупроводник (вверх). В электроном полупроводнике будет повышаться концентрация электронов, а в дырочном – дырок. Условие равновесия (4) нарушается. Возникают объёмные заряды (различных знаков) по всему объёму электронного и дырочного полупроводника.

Рис. 2

Увеличение концентрации электронов и дырок не может продолжаться беспредельно, т.к. возникающие между ними электрическое поле будет препятствовать их дальнейшему перераспределению. Это поле на рис. 2 показано штриховыми стрелками. Затем устанавливается динамическое равновесие, когда число перемещающихся не основных носителей за единицу времени в прямом и обратном направлениях будет одинаково. Возникающая при динамическом равновесии разность потенциалов между верхним и нижним электродами является фотоэдс.

Величина фотоэдс определяется контактной разностью потенциалов между полупроводниками p и n – типа; последняя равна разности уровней Ферми, которые находятся в пределах запрещённой зоны. Поэтому максимальная величина фотоэдс не может быть больше разности потенциалов между границами запрещённой зоны.