12498

Изучение внутреннего фотоэффекта

Лабораторная работа

Физика

Изучение внутреннего фотоэффекта: методические указания по выполнению лабораторной работы № 83 по курсу Физика для студентов инженернотехнических специальностей / Курск гос. техн. унт; сост.: Л.А. Желанова А.А. Родионов. Курск 2010. 7 с. Библиогр.: с.7. Содержат сведения...

Русский

2013-04-29

43 KB

10 чел.

Изучение внутреннего фотоэффекта: методические указания по выполнению лабораторной работы № 83 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / Курск, гос. техн. ун-т; сост.: Л.А. Желанова, А.А. Родионов. Курск, 2010. 7 с. Библи-огр.: с.7.

Содержат сведения по изучению явления внутреннего фотоэффекта.

Предназначены        для        студентов        инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 3,13. Уч.-изд.л. 3,37. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель работы: экспериментально исследовать явление внутреннего фотоэффекта.

Оборудование: фотоэлементы с запирающим слоем, микроамперметр, лампа накаливания, оптическая скамья.

Теоретическое введение

Внутренний фотоэффект в отличие от внешнего связан с явлением фотопроводимости полупроводников. Это явление заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням в конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) при поглощении ими световых квантов (фотонов). Поэтому в отличие от внешнего фотоэффекта, который обнаруживается и измеряется по току электронов, выходящих из исследуемой зоны наружу, внутренний фотоэффект обнаруживается обычно по изменению концентрации носителей тока внутри среды, то есть возникновению фотопроводимости или фото-э.д.с. Здесь также один фотон приводит к появлению одного электрона. Этот эффект, неощутимый в металлах, широко используется в полупроводниках и диэлектриках, где он может быть связан как со свойствами основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения вещества  в нем совершаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это приводит к появлению добавочных неравновесных дырок в валентной зоне и таких же добавочных электронов в зоне проводимости. Возникает биполярная (n-p) фотопроводимость. Во втором случае в результате поглощения света на примесных центрах электроны с примесных энергетических уровней переводятся фотонами в зону проводимости, или электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. В результате возникает моно (n или p) фотопроводимость. Так как импульс фотона в сравнении с импульсом электрона, выполнения закона сохранения энергии (уравнение Эйнштейна) и импульса приводит к тому, что переходы электронов с участием только одного фотона оказываются возможными лишь между состояниями, в которых импульс электрона практически один и тот же. Однако этот запрет может нарушаться за счет взаимодействия электронов или дырок  тепловыми колебаниями ионов кристаллической решетки вещества. Это увеличивает число переходов. Исследования зависимости внутреннего фотоэффекта от энергии фотонов позволяют по их минимальной энергии min , еще вызывающей его, определить «оптическую» величину энергетических расстояний между уровнями или зонами, между которыми исследуются переходы. При достаточной интенсивности переходов за счет фотонов и взаимодействия с тепловыми колебаниями ионов решетки определяемая величина этих энергетических расстояний обычно совпадает с её значением, найденным из опытов по термическому возбуждению электронов и дырок. Поэтому величина min  используется как один из основных методов нахождения энергетических промежутков и, в частности, ширины запрещенной зоны в полупроводниках и диэлектриках. Обычно энергия min  при собственном внутреннем фотоэффекте почти на порядок больше, чем при примесном. При достаточно большой энергии фотона дырки и электроны могут приобретать энергию, достаточную для создания новых пар «электрон - дырка». Это явление называется ударной ионизацией. Явление внутреннего фотоэффекта определяет работу таких приборов как фотосопротивления, фотоэлементы с запирающим слоем, преобразователи световой энергии в электрическую, фотодиоды, фототриоды и т.д.

Порядок выполнения работы

  1.  Установить на оптической скамье осветитель и включить его в сеть.
  2.  Подключить к фотоэлементу микроамперметр и установить осветитель и фотоэлемент на наибольшем возможном расстоянии друг от друга.
  3.  Изменяя это расстояние l, исследовать зависимость фототока iφ  фотоэлемента с запирающим слоем от светового потока: Φ = (I*S)/l2 , где I сила света лампы осветителя, S – площадь фотоэлемента. Затем точно так же исследовать iφ(Φ) для другого фотоэлемента.
  4.  Построить графики полученных зависимостей iφ(Φ) по 12-15 точкам.
  5.  Определить интегральную чувствительность каждого фотоэлемента по соотношению: γ = iφ / Φ 

Для этого на прямолинейной части графиков iφ(Φ) взять по три точки и для каждой из них найти γ. Затем из трех величин найти среднее γ.

  1.  Рассчитать, используя полученные данные, эффективное значение квантового выхода К фотокатода, для обоих фотоэлементов, то есть отношение числа электронов, покидающих поверхность катода, к числу поглощенных фотонов:

 К = iφ * h * νж / Φ * e ,

где h – постоянная Планка, e – заряд электрона, νж – частота фотонов, соответствующая средним по энергии «желтым» фотонам.

Контрольные вопросы:

  1.  Сущность внутреннего фотоэффекта (с запирающим слоем)
  2.  Разновидности внутреннего фотоэффекта (примесный и собственный)
  3.  Виды фотопроводимостей. Применение внутреннего фотоэффекта
  4.  Законы сохранения при внутреннем фотоэффекте
  5.  Фотоэлектрический метод исследования зонной структуры. Понятие о зонной структуре твердых тел
  6.  Явление ударной ионизации

Библиографический список

  1.  Савельев И.В. Курс физики [Текст] : учебное пособие : в 3 т. Т. 3 : Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И. В. Савельев. - 2-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2006. - 320 с.
  2.  Трофимова Т. И. Курс физики [Текст] : учебное пособие / Т. И. Трофимова. - 7-е изд., стер. - М. : Высшая школа, 2003. – 542


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20039. Рычажные механизмы. Классификация. Конструкции. Регулировка длин рычагов 852 KB
  Регулировка длин рычагов. Рычажные механизмы состоят из рычагов стержней ползунов соединенных в кинематические пары. Подвижные звенья конструктивно могут быть выполнены в виде рычагов пранок пластин пружин стержней соединяемых между собой высшими нисшими кинематическими парами. Стержневые чаще всего имеют круглое сечение пластинчатые прямоугольное сечение объемных или профильных рычагов может быть любое.
20040. Фрикционные механизмы. Классификация.Расчет 33.5 KB
  К ним относятся фрикционные передачи фрикционные муфты тормозные регуляторы тормоза фиксаторы замедлители и т. В зависимости от расположения осей различают передачи с параллельными и пересекающимися осями. Передачи со скрещивающимися осями используются крайне редко в связи с повышенным износом. По взаимному расположению поверхностей трения существуют передачи с внешним и внутренним контактом.
20041. Опоры вращения с трением качения. Опоры с малым моментом трения 1.29 MB
  Опоры с малым моментом трения. Опоры на ножах Опора состоит из ножа 1 контактирующего с подшипником подушкой 2. В любом варианте опоры этого типа представляют собой контакт двух цилиндрических поверхностей максимальный угол поворота 10 момент трения минимальный. Опоры на кернах Опора на керне состоит из цапфы конической формы на конце которой выполнена сферическая полированная поверхность радиусом 01 015 мм и подшипника с вогнутой сферической поверхностью с радиусом =4 12 .
20042. Направляющие прямолинейного движения с трением скольжения 1.8 MB
  Для обеспечения поступательного движения одной детали относительно другой применяют направляющие. Требования к направляющим: надёжность технологичность невысокая стоимость Направляющие с трением скольжения просты в изготовлении имеют небольшие габаритные размеры но чувствительны к изменению температуры и уступают направляющим с трением качения в плавности и лёгкости хода. По конструктивному признаку различают: цилиндрические призматические направляющие. Цилиндрические направляющие наиболее просты в изготовлении но в них трудно...
20043. Направляющие прямолинейного движения с трением качения 1.21 MB
  По форме используемых тел качения различают направляющие на шариках и на роликах. При этом в качестве роликов могут быть использованы стандартные подшипники качения. В зависимости от способа установки различают направляющие с перекатывающимися и вращающимися вокруг своей оси телами качения.
20044. Конструирование механически обрабатываемых деталей 85.5 KB
  Рекомендуется уменьшать количество металла, снимаемого при обработке (в первую очередь это касается отливок); По возможности рекомендуется отказываться от обработки деталей со снятием стружки, переходить на штамповку, вытяжку, гибку;
20045. ОТДЕЛОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ. СУПЕРФИНИШИРОВАНИЕ. ПРИТИРКА. ПОЛИРОВАНИЕ. НАКАТЫВАНИЕ РИФЛЕНИЙ 481 KB
  Отделочная обработка группа заключительных финишных операций обработки металлов в результате которых достигается высокая точность размеров и формы деталей и улучшается качество поверхности. Также находят применение такие методы как вальцевание калибровка обкатка и раскатка роликами и шариками дробеструйная обработка в результате которых уменьшается шероховатость поверхности и происходит её упрочнение изза поверхностной пластической деформации. Абразивные бруски пружинами прижимаются к поверхности детали с определенным удельным...
20046. Изготовление втулок. Классификация и заготовки. Последовательность выполнения операций при изготовлении точных втулок. Изготовление втулок на токарно-револьверных станках 27 KB
  Механическую обработку точных втулок осуществляют следующим образом: 1 предварительная токарная обработка вспомогательных и посадочных поверхностей 2 Окончательная токарная обработка посадочных цилиндрических поверхностей 3 обработка вспомогательных поверхностей пазов лысок фасонных поверхностей 4 Отделочная обработка посадочных поверхностей 5 нанесение покрытий. Зенкерование обработка отверстий под последующее растачивание или развертывание. Возможна обработка сквозных и глухих отверстий с припускомдо 6мм на d. Обработка...
20047. Основные этапы обработки корпусных деталей. Обработка основных отверстий корпусных деталей. Обработка крепежных отверстий 27 KB
  Обработка основных отверстий корпусных деталей. Обработка крепежных отверстий. Для корпусных деталей характерно наличие точных и протяженных плоскостей и точных отверстий. Технологический процесс изготовления состоит из след этапов: 1 получение заготовки 2 термическая обработка 3 механическая обработка 4 изготовление основных отверстий 5 изготовление крепежных отверстий 6 изготовление уступов канавок углублений 7 снятие заусенцев и покрытие.