2. Описание установки и метода измерений

Схема установки представлена на рис. 5. 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 6, 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, чувствительный 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.

Рис. 5

Метод измерения состоит в том, что освещая фотодиод светом разных длин волн (длина волны определяется по градуировочному графику), снимают зависимость тока фотодиода от длины волны. Затем строят график зависимости i_ф от ν. Найдя наименьшую частоту, при которой фотодиод ещё генерирует ток, принимают её за красную границу внутреннего фотоэффекта ν₀. Когда красная граница найдена, ширина запрещённой зоны рассчитывается по формуле (1).

3. Порядок выполнения работы

Установка настроена. Если при выполнении каких-либо пунктов возникают затруднения, то следует обратиться к преподавателю или лаборанту.

1. Ознакомьтесь с установкой и заполните таблицу спецификации измерительных приборов.

Название прибора	Пределы измерения	Цена деления	Инструментальная погрешность

2. Вращая ручку барабана 3, снимите зависимость тока фотодиода от угла поворота призмы (не реже, чем через 10 дел.). Занесите результаты измерения в табл. 1. Запишите значения длин волн, пользуясь градуировочным графиком.

3. Переведите длины волн в соответствующие им частоты излучения по формуле , где с – скорость света.

Таблица 1

№ п/п	φ, °	λ, мкм	ν·1015, Гц	I, дел.

4. Обработка результатов измерений

1. Пользуясь таблицей 1, постройте график зависимости тока, протекающего через микроамперметр, от частоты падающего света. Убедитесь в наличии линейного участка в области низких частот.

2. В области низких частот продолжите линейную часть график до пересечения с осью абсцисс и найдите, таким образом, красную границу внутреннего фотоэффекта ν₀.

3. Рассчитайте длину волны, соответствующую красной границе внутреннего фотоэффекта λ₀ по формуле .

4. Найдите погрешность Δν₀ и Δλ₀ и представьте результаты измерений в виде , .

5. По формуле (1) найдите ширину запрещённой зоны кремния. Ответ дайте в (Дж) и электрон-вольтах (эВ).

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффект?

2. Как образуются энергетические зоны?

3. Как с точки зрения зонной теории вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники?

4. Что такое полупроводники n-типа и полупроводники p-типа?

5. Что такое уровень Ферми?

6. Что происходит при контакте полупроводников p- и n-типа?

7. При выполнении какого условия прекращается процесс перераспределения носителей тока на p-n переходе? Что такое контактная разность потенциалов?

8. Как зонная теория объясняет наличие красной границы внутреннего фотоэффекта?

9. Как в данной работе определяется красная граница фотоэффекта?

10. Что такое ширина запрещенной зоны? Как, зная красную границу, можно найти ширину запрещённой зоны кремния?