9

4(3) семестр. Аудитория 4-36. Лабораторная работа № 7. - .

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

Кафедра физики

Лабораторная работа № 13 (К.Ф.)

Изучение фотоэлектрического эффекта

Цель работы: изучение явления внешнего и внутреннего фотоэффекта, принципа работы фотоэлементов и фотосопротивления.

Оборудование: Работа проводится на стенде, в который вмонтированы предназначенные для изучения фотодатчики: вакуумный и газонаполненный фотоэлементы, фотосопротивление, фотодиод. Стенд оборудован двумя источниками регулируемого напряжения, измерителями тока и напряжения. Кроме того, в нем имеются источники светового

потока: Ф₁ и Ф₂ (Ф₁ < Ф₂).

Введение

Внешний фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – это испускание веществом электронов под действием света или другого электромагнитного излучения. Под действием приложенной разности потенциалов поток таких электронов реализуется как фототок, значение которого явяется функцией интенсивности потока излучения.

Внутренний фотоэффект – это явление перераспределения электронов в атомах вещества по энергетическим состояниям под действием излучения; в результате этого возникает фотопроводимость – увеличение концентрации носителей тока в среде и, как следствие, увеличение электрической проводимости вещества.

Вентильный фотоэффект – это разновидность внутреннего фотоэффекта, состоящая в том, что при освещении контакта двух разных полупроводников в отсутствии внешнего напряжения возникает собственная фото-ЭДС такого элемента – фотодиода. Фотодиоды могут использоваться и в электрических цепях с внешним напряжением – в качестве диодов с запирающим слоем; проводимость запирающего слоя уменьшается под влиянием освещения.

Фотоэффект обнаружен Г.Герцем в 1887 г. В 1888 – 1890- х годах внешний фотоэффект тщательно исследовал А.Г.Столетов. В 1898 г. Ф. Ленард установил, что отрицательные заряды, испускаемые веществом под действием света, представляют собой электроны.

Столетов установил следующие закономерности:

1) под действием света вещество теряет отрицательные заряды;

2) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

3) значение интенсивности испускаемого веществом потока зарядов пропорционально мощности падающего излучения.

Исследование фотоэффекта Столетовым осуществлялось с помощью установки, схематически изображенной на рис.1.

Основной элемент установки – фотоэлемент – представлял собой вакуумную стеклянную трубку с катодом (К) и анодом (А). Трубка была оснащена окном D из кварцевого стекла; через это окно проводилось освещение катода. В эксперименте изучалась зависимость фототока между анодом и катодом от разности их потенциалов - при постоянной освещенности катода.

На рис.2 приведена – вольт-амперная характеристика фотоэлемента - зависимость фототока I от приложенного напряжения U. При напряжении, равном нулю, фототок не равен нулю, т.к. часть фотоэлектронов вылетают из катода со скоростью, которая обеспечивает им преодоление межэлектродного промежутка. Фототок можно сделать равным нулю при некотором обратном напряжении U_З; оно называется задерживающим напряжением.

Рис. 1

U

Рис. 2

Зная величину U_З, можно определить максимальную скорость электрона, вылетающего из катода v_max. Для этого нужно приравнять работу, совершаемую над электроном силами электрического поля, к максимальной кинетической энергии электрона:

, (1)

где: m - масса электрона, е - его заряд.

С увеличением напряжения фототок растет, но до определенного предельного значения, которое называется током насыщения I_Н. Этот фототок соответствует напряжению, при котором все электроны, вылетающие из вещества, достигают анода. Для того, чтобы повысить значение тока насыщения, надо увеличить энергетическую освещенность Е_Э. На рис.3 представлены вольтамперные характеристики для трех значений освещенности катода (во всех трех случаях частота излучения одна и та же). Рис. 3 иллюстрирует, в частности, первый закон Столетова, который гласит: при неизменном спектральном составе света, падающего на катод, ток насыщения I_Н пропорционален энергетической освещенности катода Е_Э.

U

Еэ₃  Еэ₂ Еэ₁

Рис. 3

На рис.4 приведены вольт-амперные характеристики для случая изменения частоты излучения света, падающего на катод - при неизменной энергетической освещенности. Рисунок иллюстрирует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности, Это – второй закон внешнего фотоэффекта.

U

Рис.4

Третий закон внешнего фотоэффекта заключается в том, что для каждого вещества существует минимальная частота _min (или максимальная длина волны _max), при которых внешний фотоэффект еще возможен. Так определятся красная граница фотоэффекта. Если частота света меньше _min, то фотоэффект не возникает.

2 – й и 3 -й закона фотоэффекта не удается объяснить на основе классической электромагнитной теории света. Они объясняются квантовой теорией света.

А.Эйнштейн предположил, что свет не только излучается, но и поглощается отдельными порциями энергии - квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона Е определяется частотой светового излучения ; она равна: h, где h - постоянная Планка. При попадании в вещество фотон полностью поглощается одним из электронов; энергия электрона при этом увеличивается на значение энергии h.

Для вырывания электрона из вещества необходимо затратить работу выхода А. Таким образом, фотоэффект возможен лишь при h  А.

Электрон покидает вещество с кинетической энергией;

.

По закону сохранения энергии в этом случае:

. (2)

Уравнение (2) это уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта находится из условия h_min  А, откуда:

.

Из (1) и (2) следует:

.

Следовательно, v_max и U_З зависят лишь от частоты света  и от работы выхода А.

Из уравнений (1) и (2) также следует, что U_З является линейной функцией частоты  падающего света.

Точка пересечения прямолинейной зависимости U_З = f() с осью абсцисс (U_З = 0) дает значение _min, ниже которой фотоэффект прекращается. Отсюда может быть найдена работа выхода электрона из вещества:

А = h_min.

Простейшим прибором, работающим на основе использования внешнего фотэффекта, является вакуумный фотоэлемент, который состоит из стеклянного баллона, катода и анода. Катод – это светочувствительный слой, который покрывает внутреннюю поверхность баллона. Внутри баллона располагается анод в виде проволочного кольца. Выводы катода и анода подключаются к источнику постоянного напряжения.

Основное техническое применение фотоэлементы получили для

автоматического управление электрическими цепями с помощью сигналов,

создаваемых видимым, ультрафиолетовым и инфракрасным излучением.

Фотоэлементы используют в звуковом кино для воспроизведения звука с киноплёнки, в разнообразных реле, которые включают или выключает в нужное время уличное освещение, маяки; считают движущиеся на конвейере детали.

Их применяют в военном деле для сигнализации и локации невидимыми лучами, в самонаводящихся снарядах.

Фотоэлементы используются также в астрокомпасе – приборе, служащем для ориентации по Солнцу и звездам.

Особый класс фотоэлементов – газонаполненные фотоэлементы. Баллон фотоэлемента заполняют инертным газом для усиления фототока. Электроны, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа. Этот ионный ток может в 25-50 раз превышать фототок вакуумного фотоэлемента.

Фотосопротивление - прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием света или другого вида излучения. Действие фотосопротивления основано на явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Фотосопротивление представляет собой тонкий полупроводниковый слой, нанесенный на пластину из диэлектрика, подключенный с помощью электродов к внешнему источнику напряжения. При освещении полупроводника светом электрон поглощает фотон света, увеличивая свою энергию на величину энергии фотона:

Е = h.

Если Е больше ширины запрещенной зоны Е_з полупроводника, т.е.

h > Е_з,

то электрон получает энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. В валентной зоне появляется вакансия – «дырка». При освещении фотосопротивления светом происходят два встречных процесса: рождение за счет энергии фотонов электронно-дырочных пар и их исчезновение - рекомбинация.

Проведение экспериментов

Задача 1. Получение вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента

Рис. 5

Увеличение концентрации электронов и дырок пропорционально числу поглощенных фотонов света - в единице объема вещества, в единицу времени.

Это число, в свою очередь, пропорционально коэффициенту поглощения и числу фотонов, падающих на единичную площадку фотосопротивления в единицу времени.

Скорость рекомбинации пар носителей определяется вероятностью встречи электрона и «дырки», следовательно, она пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар. В стационарном случае число образовавшихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно числу исчезнувших.

Для решения задачи используется часть общей электрической схемы стенда, представленная на рис. 5. Она включает регулируемый источник напряжения Е₁ к которому подключен вакуумный элемент СЦВ-3.