МЭИ(ТУ) Физика

Лабораторная работа № 24

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

КРЕМНИЯ ПО КРАСНОЙ ГРАНИЦЕ ВНУТРЕННЕГО

ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: изучение явления внутреннего фотоэффекта; определение красной границы внутреннего фотоэффекта.

1. Введение

При освещении полупроводника светом, частота которого удовлетворяет условию hщ > еg ,

где εg – ширина запрещённой зоны полупроводника, ћ – постоянная Планка, наблюдается увеличение проводимости, т. е. внутренний фотоэффект. Если частота меньше, чем

– красная граница фотоэффекта, то внутренний фотоэффект не наблюдается. Фотогальванический эффект – частный случай внутреннего фотоэффекта. Он на-

блюдается на границе раздела (контакте) двух разнородных полупроводников – p- и n-типа. Как известно, на границе двух разнородных полупроводников существует контактная разность потенциалов, а, следовательно, и область с отличным от нуля электрическим полем. Если осветить контактную область, то электроны, попавшие в область действия поля контактной разности потенциалов, начинают в нём двигаться, т. е. возникает электрический ток.

Таким образом, главная особенность фотогальванического эффекта состоит в том, что при освещении p-n-перехода генерируется электрический ток без внешних источников питания. Фотогальванический преобразователь является генератором, превращающим световую энергию в энергию электрического тока. Хорошо известный пример

– солнечные батареи.

Естественно, что при освещении фотогальванического преобразователя светом с частотой, меньшей, чем красная граница внутреннего фотоэффекта, он не будет гене-

рировать электрический ток. Это свойство может быть использовано для нахождения ширины запрещённой зоны материала, из которого изготовлен фотопреобразователь.

2. Описание установки и метода измерений

Схема установки представлена на рис. 3. Осветитель 1 посылает пучок света на входную щель спектрального прибора ИСП-51 2. С помощью призмы прибор разлагает белый свет в спектр. Ручкой барабана 3, вращающего призму, на пластину с щелью 4, на которой под футляром укреплён кремниевый фотодиод, можно вывести тот или иной участок спектра. Выводы фотодиода подключены к микроамперметру 5.

Кремниевый фотодиод – это приёмник излучения, чувствительной элемент которого содержит p-n-переход, т. е. область контакта кремния p-типа, в котором за счёт добавления специальных примесей основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны, и кремния n-типа, в котором за счёт примесей основными носителями заряда являются электроны, а неосновными –дырки.

1 2

ИСП-51

3

4

5

Рис. 3

Метод измерения состоит в том, что, освещая фотодиод светом разных длин волн (длина волны может быть определена по делениям барабана и приложенному к установке градуировочному графику), снимают зависимость тока фотодиода от длины волны. Найдя наибольшую длину волны (наименьшую частоту), при которой фотодиод ещё генерирует ток, принимают её за красную границу внутреннего фотоэффекта λ0. Когда красная граница найдена, ширина запрещённой зоны рассчитывается по формуле

(1).

3. Порядок выполнения работы

Установка настроена, и поэтому не следует трогать осветитель и не перечисленные ниже органы регулировки. Если при выполнении каких-либо пунктов возникают затруднения, то следует обратиться к преподавателю или лаборанту.

1.Вращая ручку барабана 3, снять зависимость тока фотодиода от показаний шкалы барабана (не реже, чем через 0,5 дел.). Занести результаты измерения в табл. 1. Туда же записать длины волн, пользуясь приложенным градуировочным графиком.

2.Показав полученные результаты преподавателю и получив его разрешение, переключить шунт микроамперметра на предел 1000 и выключить напряжение 220 В.

4. Обработка результатов измерений

1.Пользуясь таблицей 1, построить график зависимости тока, протекающего через микроамперметр, от длины волны падающего света.

2.В области длинных волн продолжить график до пересечения с осью абсцисс и найти таким образом красную границу внутреннего фотоэффекта λ0.

3.Рассчитать частоту, соответствующую красной границе внутреннего фотоэффекта,

по формуле ω0 = 2рc и по формуле (1) найти ширину запрещённой зоны кремния.

λ0

4. Найти погрешность ∆λ0 и ∆ω0 и представить результаты измерений в виде

λ0 = λ0 ± ∆λ0 , ω0 =ω0 ± ∆ω0 .

Лабораторная работа № 29

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы: ознакомление с устройством и работой гелий-неонового лазера; изучение свойств лазерного излучения (линейная поляризация, высокие монохроматичность, направленность и энергетическая яркость излучения).

1. Введение

Активным элементом лазера является газоразрядная трубка 1 (рис. 1) со смесью гелия (парциальное давление 1 мм рт. ст.) и неона (0,1 мм рт. ст.). В гелий-неоновом лазере переходы, соответствующие лазерному излучению, осуществляются между возбуждёнными состояниями атомов неона (Ne); гелий (He) играет роль вспомогательного газа.

Рис. 1

В электрическом разряде, возникающем между катодом и анодом, часть атомов Ne при соударениях с электронами переходят с основного уровня E1 на возбужденные уровни E4 и E6 (рис. 2). Так как время жизни атома на уровнях E4 и E6 на порядок превышает время жизни на уровнях E3 и E5, то имеется принципиальная возможность создания инверсной населенности уровня E6 по отношению к уровням E3 и E5 и уровня E4 по отношению к уровню E3. Для создания инверсии и ее поддержания необходимо эффективное заселение верхних уровней (E4 и E6) и быстрое освобождение нижних (E3 и E5). Нижние уровни могут быстро расселяться только путём ухода возбуждённых атомов Ne на уровень E2. Однако уровень E2 метастабилен и может расселяться только за счёт соударений атома со стенками газоразрядной трубки. Это затрудняет расселение уровней E3 и E5, а, значит, и создание инверсии в чистом неоне. Введение в неон при-

гократное прохождение луча через активную среду. Интенсивность вынужденного излучения при этом лавинообразно нарастает.

Оптимальные условия генерации излучения обеспечиваются в том случае, когда на длине резонатора укладывается целое число длин полуволн генерируемого излучения. Высокая спектральная селективность коэффициентов отражения зеркал резонатора при многократном отражении от них излучения позволяет обеспечить его высокую монохроматичность. Излучение, идущее под углом к оси резонатора, проходит малый путь в активной среде и выходит через боковую поверхность газоразрядной трубки, что обеспечивает высокую направленность излучения лазера. Расходимость светового пучка минимальна и определяется практически только дифракцией, обусловленной конечным размером поперечного сечения пучка.

р

Рис. 3

Вынужденное излучение усиливается активной средой до такого уровня, при котором суммарные потери энергии излучения (при отражении от зеркал, частичном выходе через одно из них, при рассеянии в активной среде и т. д.) не станут равны его усилению в активной среде. После этого устанавливается стационарный режим с определенной интенсивностью излучения.

2. Описание установки и метода измерений

Установка, на которой проводятся все измерения, схематически изображена на рис. 4.

Рис. 4

На оптической скамье расположены: лазер 1, анализатор 2, фотоприёмник 3, соединенный с токоизмерительным прибором, дифракционная решетка 4, экран 5. Все приборы прикрыты дымчатой шторкой, которая откидывается вверх и имеет систему блокировки во избежание попадания лазерного излучения в глаза. Лазер соединён с блоком питания 6.

Излучение лазера попадает на фотоприёмник, соединённый с микроамперметром, который измеряет силу фототока. Сила фототока пропорциональна интенсивности света, прошедшего через анализатор.

Все включения и выключения лазера производятся только преподавателем или лаборантом.

4. Порядок выполнения работы

Определение положения плоскости поляризации излучения лазера

1.Включить лазер, нажав кнопку "СЕТЬ" на блоке питания.

2.Установить поворотное устройство анализатора на начало отсчёта. При этом плоскость пропускания анализатором линейно поляризованного лазерного излучения (главная плоскость анализатора) примет горизонтальное положение. Измерить силу фототока по микроамперметру, соединённому с фотоприёмником, и записать в табл. 1 (таблица должна быть рассчитана на 23-24 измерения). Поворачивая главную плоскость анализатора против часовой стрелки (если смотреть вслед лучу) с интервалами в 15° в пределах от 0° до 360°, произвести соответствующие измерения фототока.

Таблица 1

Угол поворота анализатора, ° Сила фототока, мА

Приближённое измерение длины волны излучения лазера

1. Снять с оптической скамьи анализатор и фотоприёмник.

2. Экран и дифракционную решетку расположить перпендикулярно оси светового пучка лазера на расстоянии L = 50 см друг от друга. На решетке указано значение её периода d.

3. По изображению на экране убедиться, что излучение монохроматично. (Ширина максимумов на экране обусловлена шириной первичного светового пучка, падающего на решетку.)

4. С помощью шкалы, имеющейся на экране, измерить положения максимумов (их середин) k-х порядков: слева xk′ и справа xk′′ от нулевого. Измерения проводить с максимально возможной точностью, результаты записать в табл. 2.

5. Повторить измерения положений максимумов всех порядков, которые получаются на экране при значениях L = 45, 40, 35 см.

Данные установки d =

Таблица 2

4. Обработка результатов измерений

1. Результаты измерений, записанные в табл. 1, представить в полярных координатах. При построении графика последовательность точек откладывать в том же направлении, в котором производились измерения (т. е. против часовой стрелки). По графику убедиться, что излучение лазера практически линейно поляризовано и определить ориентацию вектора E (плоскость его колебаний) в пространстве.

2. Рассчитать длину волны λ из условия главных максимумов дифракции на одномерной решётке d sin φ = ±kλ, где d – постоянная решётки, k – порядок максимума, счи-

тая угол дифракции φ малым, т. е. принимая sinϕ = tgϕ = x′k + x′k′ . 2L

3.Найти погрешность ∆λ и представить окончательный результат в виде л = л ± Дл при наименьшем значении L.

Лабораторная работа № 30

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ

ПО МЕТОДУ ФРАНКА И ГЕРЦА

Цель работы: опытное подтверждение дискретности атомных состояний, измерение резонансного потенциала атомов газа.

1. Введение

Спектроскопические исследования, а затем и квантовая теория приводят к представлению о существовании у атома дискретных стационарных энергетических состояний. Каждому такому состоянию соответствует определенное значение энергии. Поэтому атом может поглощать только определенные порции энергии, равные разности энергий двух стационарных энергетических состояний. В частности, атому нельзя сообщить энергию меньше той, которая необходима для перевода его из нормального состояния в первое возбужденное состояние. Сообщить атому определенное количество энергии можно с помощью бомбардировки атомов электронами, ускоряемыми электрическим полем (один из методов).

При скоростях электронов, меньших некоторой критической скорости (критической скорости соответствует критическая энергия, необходимая для перевода атома в первое возбужденное состояние), происходит упругое столкновение. Электрон при таком столкновении не передаёт атому энергию, но изменяется направление скорости электрона. При скоростях электронов, равных или больше критических, происходят неупругие столкновения. При этом электрон передает атому такую порцию энергии, которая необходима для перехода атома в возбуждённое состояние.

Разность потенциалов, при которой электрону сообщается энергия, равная энергии возбуждения атома, называют критическим потенциалом атома. Критический потенциал, соответствующий переходу из основного состояния на первый возбужденный уровень, называют первым или резонансным потенциалом. Время жизни атома в возбужденном состоянии мало. При самопроизвольном переходе в невозбуждённое состояние ранее полученная энергия излучается в виде кванта света, частота которого ω может быть найдена из соотношения

где U – разность потенциалов, ускоряющая электрон в электрическом поле. Существование энергетических уровней атомов можно обнаружить с помощью

опыта, впервые выполненного Д. Франком и Г. Герцем в 1913 г.

В опытах Франка и Герца для определения резонансного потенциала используется метод задерживающего поля.

4

Рис. 1

На сетку трехэлектродной лампы 1 (рис. 1), наполненной гелием, подается положительный относительно катода 2 потенциал Uуск, на анод лампы 3 подается небольшой постоянный отрицательный относительно сетки потенциал Uз, характеризующий созданное между сеткой и анодом слабое задерживающее поле. В цепь анода включается измерительный прибор 4. Пучок электронов, эмитированных накаленным катодом, ускоряется полем, созданным между катодом и сеткой.

Пока ускоряющее поле слабое, электроны, сталкиваясь с атомами газа, испытывают только упругие столкновения. Они рассеиваются, практически не теряя энергии. Поэтому часть электронов преодолевают слабое задерживающее поле, созданное между сеткой и анодом. В цепи анода фиксируется ток. С ростом ускоряющего напряжения этот ток возрастает как в обычном диоде.

При увеличении Uуск растет энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле. При некотором значении Uуск = U1 энергия электронов достигает величины, соответствующей энергии возбуждения первого энергетического уровня атома газа. Столкновения электронов с атомами становятся неупругими, электроны теряют при ударе большую часть своей энергии, которую поглощают атомы. После такого столкновения электроны не могут уже преодолеть тормозящего поля, поэтому ток в цепи анода резко падает.

Дальнейшее увеличение Uуск вновь вызывает рост тока. Это объясняется тем, что электроны, потерявшие энергию при неупругом столкновении, вновь набирают ее во время пробега в достаточно сильном ускоряющем поле. Но так как их энергия меньше