50106

СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Лабораторная работа

Физика

Тогда с учетом формул 6 и 7 для спектральной чувствительности фотоэлемента можно записать: 8 Согласно выражению 8 отношение спектральной чувствительности фотоэлемента γλ для произвольной длины волны λ к его чувствительности γγm для фиксированной длины волны λт будет равно: 9 В формуле 9 Um обозначает напряжение в цепи при освещении фотоэлемента светом с длиной волны λт и считается что в изучаемой спектральной области при постоянной величине входной щели монохроматора интервал длин волн dλ для разных λ изменяется...

Русский

2014-01-16

166.5 KB

29 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

СПЕКТРАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: изучение законов фотоэффекта, освоение методики градуировки монохроматора, определение относительной чувствительности фотоэлемента.

Обеспечивающие средства: универсальный монохроматор УМ-2 с оптическим окуляром и съемной выходной щелью, микровольтметр В2-11, ртутная лампа, осветитель, конденсорная линза.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Фотоэффект. Чувствительность фотоэлемента.

Воздействие света на вещество сводится к передаче этому веществу энергии, переносимой световой волной, в результате чего могут возникнуть различные эффекты. Одним из них является фотоэлектрический эффект (фотоэффект).

В настоящее время различают три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и фотогальванический (фотоэффект в запирающем слое, или вентильный фотоэффект).

Внешний фотоэффект заключается в испускании поверхностью металлов электронов во внешнее пространство (вакуум или газ) под действием падающего на эту поверхность потока световой энергии.

Опытным путем были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

  1.  При фиксированной частоте излучения число электронов (фотоэлектронов),
    вырываемых с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально плотности светового потока.
  2.  Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется
    частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.
  3.  Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т. е. максимальная длина волны λо (минимальная частота ν0), при которой ещё возможен фотоэффект, независимо от плотности светового потока и продолжительности облучения.

Для объяснения законов фотоэффекта Эйнштейн предположил, что поток энергии световой волны не является непрерывным, а представляет собой поток дискретных порций энергии, называемых квантами или фотонами.

Энергия фотона, соответствующая свету с частотой ν, равна:

(1)

где h = 6,62-1034 Дж•с - постоянная Планка.

Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему всю свою энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может преодолеть удерживающие его в металле силы и выйти из металла. В этом процессе соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в виде:

(2)


mVмакс2 /2- максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона, Авых -

работа выхода (работа, совершенная электроном для преодоления сил, удерживающих его в объеме металла). Соотношение (2) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно полностью объясняет все особенности внешнего фотоэлектрического эффекта.

Из формулы (2) следует, что в случае, когда работа выхода Авых превышает энергию кванта hv, электрон не сможет выйти за пределы металла. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия: hv > Авых. Этим объясняется наличие красной границы, т.е. максимальной длины волны λо или минимальной частоты vo = Авых/h, при которой ещё возможен фотоэффект. Так как v0 = с/ λо, то

(3)

где с = 3•108 м/с - скорость света в вакууме.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах. Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является катодом (фотокатодом). Против него оставляют прозрачное окно обычно из кварцевого стекла, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рис. 1.

Между катодом К и анодом А создается регулируемая потенциометром R разность потенциалов - напряжение U, измеряемое вольтметром V. Сила тока I, проходящего между анодом и катодом, определяется миллиамперметром (mА). При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода и в цепи возникает ток, получивший название фототока. На рис.2 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента.

 Как видно из графика, сначала фототок линейно увеличивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее количество вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения. Сила тока насыщения IН прямопропорциональна падающему световому потоку Ф:

(4)

Внутренним фотоэффектом называется изменение электрической проводимости некоторых кристаллических тел (полупроводников) вследствие появления под действием потока световой энергии внутри всех этих тел добавочных электронов проводимости.

Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект (фотогальванический эффект), возникающий при освещении контакта полупроводников с р- и п- проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем: при контакте полупроводников р- и n-типа создаётся контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок - в n-область и электронов - в p-область. При освещении p-n-перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, т. е. образуются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля p-n-перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, в результате чего накапливаются заряды и на р-n-переходе создаётся добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна его интенсивности, так как она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, т. е. количеством фотонов.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается в том, что для их работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются для солнечных батарей, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры, а также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности.

Рассмотрим устройство и принцип действия используемого в настоящей работе селенового фотоэлемента (рис.3). Селеновый фотоэлемент представляет собой слой селена 2, нанесенный на полированную железную пластинку 1. При прогревании селен переводится в кристаллическую модификацию, обладающую дырочной проводимостью. Сверху напыляется тонкая пленка серебра 3. В результате диффузии атомов серебра внутрь селена образуется слой селена с примесью, обладающей электронной проводимостью. Таким образом, создается контакт между чистым селеном и селеном с примесью, то есть возникает р-п-переход. При освещении фотоэлемента свет легко проходит через тонкую пленку серебра. Фотоны поглощаются электронами, и возникает электродвижущая сила. Если соединить проводником железную пластинку с пленкой серебра, то гальванометр 4, включенный в цепь, покажет силу тока, текущего от железа к верхнему электроду.


Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность γ характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного спектрального состава:

(5)

здесь I - величина фототока, Ф - поток энергии немонохроматического электромагнитного излучения.

Если фотоэлемент последовательно освещать различными монохроматическими источниками света, имеющими в спектре испускания одну длину волны и излучающими в единицу времени одинаковую энергию, то величина фототока будет зависеть от длины волны падающего света. Поэтому наряду с понятием интегральной чувствительности фотоэлемента вводится понятие его спектральной чувствительности. Спектральная чувствительность γλ определяется отношением силы фототока I к величине падающего на фотоэлемент потока световой энергии Фλ в узком интервале длин волн от λ до λ+:

(6)

Таким образом, измерив величину фототока при освещении фотоэлемента светом одинаковой интенсивности, но разной длины волны, можно было бы найти его спектральную чувствительность. Однако, на практике интенсивность монохроматических источников света с различными длинами волн неодинакова. Более того, определение спектральной чувствительности фотоэлемента связано с нахождением абсолютного значения величины потока световой энергии Фλ и является непростой задачей.

Рассмотрим метод определения относительной чувствительности фотоэлемента, который можно реализовать в учебной лаборатории.

Если белый свет лампы накаливания, испускаемый раскаленной вольфрамовой нитью, пропустить через монохроматор, то можно выделить излучение в узком интервале длин волн от λ до λ+.. Согласно законам теплового излучения (Кирхгофа и Планка) поток энергии излучения вольфрамовой нити в области  в окрестности длины волны λ пропорционален следующему выражению:

(7)

Здесь ελ - поглощательная способность вольфрама, которую в оптической области длин волн от 4000 до 8000 (1 = 10-8 см) можно считать постоянной; h = 6,62•10-34 Дж•с - постоянная Планка; к = 1,38•10-23 Дж/К


постоянная Больцмана; с = 3•108 м/с - скорость света в вакууме; Т - абсолютная температура вольфрамовой нити (в настоящей работе Т = 2873 К).

Фототок I в электрической схеме, содержащей фотоэлемент, пропорционален напряжению U, которое можно измерить с помощью вольтметра. Тогда с учетом формул (6) и (7) для спектральной чувствительности фотоэлемента можно записать:

(8)

Согласно выражению (8), отношение спектральной чувствительности фотоэлемента γλ для произвольной длины волны λ к его чувствительности γγm для фиксированной длины волны λт будет равно:

(9)

В формуле (9) Um обозначает напряжение в цепи при освещении фотоэлемента светом с длиной волны λт и считается, что в изучаемой спектральной области при постоянной величине входной щели монохроматора интервал длин волн  для разных λ изменяется незначительно.

Таким образом, измеряя напряжение в цепи с фотоэлементом при его освещении светом с известными значениями длин волн, по формуле (9) можно определить его относительную спектральную чувствительность.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Градуировка монохроматора.

В настоящей работе для разложения света на спектральные составляющие используется универсальный монохроматор УМ-2. Схема монохроматора показана на рисунке 4.

Освещаемая светом исследуемого источника входная щель S коллиматорной трубы К выделяет узкий пучок света. Входная щель находится в


фокусе коллиматорного ахроматического объектива L1, который формирует параллельный пучок лучей. Параллельный пучок лучей падает на диспергирующий элемент - призму Р, установленную на вращающемся столике Т. Вращение столика Т вызывается поворотом барабана монохроматора, который расположен справа от зрительной трубы М.

Действие призмы основано на том, что ее показатель преломления n зависит от длины волны падающего света (явление дисперсии света), а, следовательно, угол отклонения луча призмой будет различным для разных длин волн.

Линза L2 зрительной трубы М собирает свет, разложенный призмой Т по длинам волн и формирует изображение спектра, который рассматривается в окуляр О. Окуляр имеет указатель (визира) в виде стрелки и служит для градуировки монохроматора.

Градуировкой монохроматора называют процесс, с помощью которого устанавливается однозначная связь между отсчетом по шкале делений барабана монохроматора и длиной волны спектральной линии, расположенной против указателя (визира) в зрительной трубе. Угловая дисперсия призмы существенно зависит от длины волны, поэтому градуировочные (по длинам волн) характеристики приборов нелинейны и для выполнения градуировки нужно использовать большое число линий с известными длинами волн. Для градуировки используется эталонный источник света, у которого имеются линии во всех областях спектра. Длины волн этих линий должны быть известны с высокой точностью. Результаты градуировки представляются в виде графиков, таблиц или в виде новой шкалы.

В настоящей работе в качестве эталонного источника света используется ртутная лампа. Изготовленная из специального кварцевого стекла и заполненная парами ртути трубка лампы пропускает свет в очень широком диапазоне (включая видимую и ультрафиолетовую области спектра). Трубка лампы (для защиты глаз от ультрафиолетовых лучей) помещена в светонепроницаемый корпус с небольшим окном для выхода излучения. Запрещается смотреть непосредственно на выходное окно ртутной лампы, т.к. при прямом попадании света в глаза возможен ожог сетчатки глаза.

Включите ртутную лампу, прогрейте ее в течение 10 минут. Замените съемную выходную щель монохроматора в зрительной трубе М на окуляр О. Выходное окно включенной ртутной лампы расположите напротив входной щели монохроматора. С помощью конденсорной линзы сфокусируйте излучение ртутной лампы на входную щель монохроматора. Обычные стеклянные линзы и призма монохроматора задерживают ультрафиолетовое излучение, поэтому в окуляре зрительной трубы будут видны только отдельные спектральные линии различного цвета и интенсивности, принадлежащие видимому спектру ртути. Наблюдая спектр в окуляр, перемещением ртутной лампы добейтесь максимальной яркости спектральных линий. Вращение барабана монохроматора приводит к повороту столика Т, на котором расположена призма Р, и наблюдаемый в окуляре спектр источника излучения будет перемещаться относительно стрелки окуляра (визира). Измерения рекомендуется проводить при перемещению по спектру от красной к фиолетовым областям. Вращая барабан, рассмотрите спектр паров ртути в окуляр. Для того, чтобы увидеть две желтые линии ртути с близкими длинами волн, уменьшите ширину входной щели монохроматора S. Спектральные линии должны быть достаточно узкими. Для градуировки выбираются наиболее яркие линии ртути, точные значения длин


волн  которых приведены в таблице  1. Длина волны спектральных линий  в таблице приведена в ангстремах (1 = 10-8 см).

Совместите визир со спектральной линией ртути. Для получения наиболее точных измерений визир всегда должен приближаться к линии только с одной стороны, в нашем случае - с правой. Занесите показания шкалы барабана монохроматора для соответствующего цвета в таблицу 1. Проведите измерения для других линий и заполните таблицу 1. Выключите ртутную лампу.

Таблица 1

Спектральные линии ртути

Длина волны

Показания шкалы

Красная

7081,9

Красная

6234,4

Желтая

5790,6

Желтая

5769,6

Зеленая

5460,7

Голубая

4916,0

Синяя

4358,3

Фиолетовая

4077,8

Фиолетовая

4046,6

По данным таблицы 1 постройте градуировочный график (градуировочную кривую монохроматора). По оси ординат OY откладываются длины волн спектральных линий ртути, по оси абсцисс ОХ - соответствующие им показания по шкале барабана монохроматора. Градуировочный график должен иметь вид плавной монотонной линии. С его помощью по измеренным значениям положений (делений шкалы барабана) спектральных линий любого другого излучения можно определить их длины волн.

Определение относительной чувствительности полупроводникового фотоэлемента.

Полностью закройте входную щель монохроматора. Замените окуляр в зрительной трубе монохроматора на выходную щель. Вплотную к щели поставьте фотоэлемент с закрытой крышкой. Закройте зрительную трубу, щель и фотоэлемент светонепроницаемым кожухом из ткани. Снимите крышку фотоэлемента. Включите осветитель. С помощью конденсорной линзы добейтесь равномерного освещения входной щели монохроматора источником света. Включите в сеть подключенный к фотоэлементу микровольтметр В2-11. Установите предел показаний вольтметра - 30 милливольт. Приоткройте входную щель монохроматора. Медленно вращая барабан, определите показание угла φт по его шкале, для которого напряжение принимает максимальное значение Um. Отрегулируйте ширину входной щели в этой области таким образом, чтобы максимальное показание вольтметра не превышало значение напряжения 30 мВ. Величине угла φт будет соответствовать длина волны λт, которая находится из градуировочного графика.

Измерьте значения напряжения U для 10 различных делений шкалы барабана φ,  по обе стороны от величины φт, таким образом, чтобы напряжение сначала увеличивалось от минимального значения до максимальной величины, а потом снова убывало до минимального значения. Занесите эти данные в таблицу 2. По градуировочному графику определите значения длин волн λ, соответствующих делениям шкалы барабана φ. По формуле (9) рассчитайте относительную спектральную чувствительность полупроводникового фотоэлемента γλ/ γλm для данных длин волн λ (при вычислениях длины волн необходимо выразить в метрах: 1 Å= 10-10м). Заполните таблицу 2.

Таблица 2.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

φ

U,мв

λ,м

γλ/ γλm

По данным таблицы 2 постройте график зависимости относительной чувствительности фотоэлемента γλ/ γλm от длины волны λ. Сделайте вывод.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ВНИМАНИЕ! В работе применяется ртутная лампа, являющаяся мощным источником ультрафиолетового излучения. Запрещается смотреть непосредственно на выходное окно ртутной лампы, т.к. при прямом попадании света в глаза возможен ожог сетчатки глаза.

  1.  Ознакомиться с устройством монохроматора, зарисовать схему установки.
  2.  Заменить съемную выходную щель в зрительной трубе монохроматора на
    окуляр.
  3.  Включить ртутную лампу и прогреть ее в течение 10 минут.
  4.  С помощью конденсорной линзы сфокусировать излучение ртутной лампы на входную щель монохроматора.
  5.  Перемещением конденсорной линзы добиться максимальной яркости спектральных линий, наблюдаемых в окуляр зрительной трубы. Чтобы увидеть раздельно две желтые линии ртути с близкими длинами волн, необходимо уменьшить ширину входной щели монохроматора. Спектральные линии должны быть достаточно узкими.
  6.  Измерения рекомендуется проводить при перемещению по спектру от красной
    к фиолетовым областям. Для получения наиболее точных измерений визир
    всегда должен приближаться к линии только с одной стороны, в нашем случае
    - с правой. Вращением барабана монохроматора совместить визир окуляра с
    красной линией ртути (для градуировки выбираются наиболее яркие спектральные линии). Записать показания шкалы барабана для данной длины
    волны в таблицу 1.
  7.  Провести измерения для других линий ртути. Заполнить таблицу 1.
    Выключить ртутную лампу.
  8.  По данным таблицы 1 построить градуировочный график - зависимость длины
    волны спектральных линий ртути от показаний шкалы барабана
    монохроматора.
  9.  Полностью закрыть входную щель монохроматора. Заменить окуляр в
    зрительной трубе монохроматора на выходную щель. Вплотную к щели
    поставить фотоэлемент с закрытой крышкой. Закрыть зрительную трубу, щель
    и фотоэлемент светонепроницаемым кожухом из ткани. Снять крышку
    фотоэлемента.
  10.  Включить осветитель. С помощью конденсорной линзы добиться
    равномерного освещения входной щели монохроматора источником света.
  11.  Включить в сеть подключенный к фотоэлементу микровольтметр В2-11.
  12.  Приоткрыть входную щель монохроматора. Медленно вращая барабан,
    определить показание угла
    φт по его шкале, для которого напряжение
    принимает максимальное значение
    Um. Отрегулировать ширину входной щели
    в этой области таким образом, чтобы максимальное показание вольтметра не
    превышало значение напряжения 30 мВ.
  13.  Измерить значения напряжения U для 10 различных делений шкалы барабана
    φ, по обе стороны от величины φт, таким образом, чтобы напряжение сначала
    увеличивалось от минимального значения до максимальной величины,  а
    потом снова убывало до минимального значения. Занести эти данные в
    таблицу 2.
  14.  Выключить осветитель.
  15.  По градуировочному графику найти длины волн λ, соответствующие
    делениям шкалы барабана
    φ.
  16.  По формуле (9) рассчитать относительную спектральную чувствительность

полупроводникового фотоэлемента для этих длин волн (при вычислениях длины волн λ необходимо выразить в метрах: 1 Å=10-10 м; h = 6,62•10-34 Дж•с; к = 1,38•10-23 Дж/К; с = 3•108 м/с; Т = 2873 К). Заполнить таблицу 2.

17. По данным таблицы 2 построить график зависимости относительной

чувствительности фотоэлементаот длины волны λ.

18. Сделать вывод и оформить отчет.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?
  2.  Сформулируйте и объясните законы внешнего фотоэффекта.
  3.  Чем внутренний фотоэффект отличается от внешнего?
  4.  Опишите принцип действия полупроводникового вентильного фотоэлемента.
  5.  Дайте определение интегральной и спектральной чувствительности
    фотоэлемента.
  6.  Как находится поток световой энергии?
  7.  Напишите формулу для нахождения относительной спектральной
    чувствительности полупроводникового фотоэлемента и поясните ее.
  8.  Для чего в работе используется монохроматор?
  9.  Как проводится градуировка монохроматора?
  10.  Как строится и используется градуировочный график?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56146. Виховання соціальної компетентності учнів початкової школи 133.5 KB
  Сьогодні в умовах величезних змін у соціальному та політичному житті України постала проблема радикальної перебудови у сфері виховання мета якої формувати людину забезпечувати прогрес людського суспільства.
56147. РОЛЬ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ НАВЧАННЯ У ФОРМУВАННІ ПРОФЕСІЙНО-ДІЛОВИХ ЯКОСТЕЙ СПЕЦІАЛІСТА 131 KB
  Курс фізики за своїм змістом політехнічний, має професійну спрямованість. Фізика слугує теоретичною базою більшості галузей техніки, вона має широке та різноманітне застосування в людській діяльності.
56148. Роль спецкурсів у розвитку творчого потенціалу учнів 414.5 KB
  І кожний власну радість обирає Яка ізпоміж інших є гарніша Для мене все це вартості не має Людина від усіх багатств цінніша. Для мене ж це все не важливе Люблю тебе за те що є Думки корисливі і льстиві Я не поставлю над усе.
56149. ВІЧ і СНІД – проблема людства 721.5 KB
  Всесвітня організація охорони здоров′я розробила глобальну програму боротьби зі СНІДом. Серед медичних, профілактичних заходів передбачених цією програмою, велике значення бесід, тестування на цю актуальну тему.
56150. Які ми разом – на уроці, на перерві, під час відпочинку. Я і мої друзі 59.5 KB
  Мета: Виховувати дружні стосунки між учнями, співпереживання один одному. Формувати орієнтацію на вічні духовно-моральні цінності. Розвивати уміння спілкуватися, дотримуючись правил етикету.
56151. Як спілкуватися, долаючи відстань 51 KB
  На кінець уроку учні зможуть: пояснити особливості правил дистанційного спілкування використовувати уміння дистанційного спілкування письмового та електронного листування і телефонних розмов моделювати та розв’язувати ситуації.
56153. Спортивне свято «Тато, мама, я – спортивна сім’я» 35.5 KB
  Мета: сприяти залученню учнів та їх батьків до систематичних занять фізичною культурою і спортом; організувати рухове дозвілля, пропагувати заняття фізичними вправами як засіб активного відпочинку; зміцнювати здоров’я дітей...
56154. Sport 69.5 KB
  Good morning, my dear children. I am very glad and happy to see all of you today. Arrange the letters in the right order and you’ll get the topic of our lesson “ ROPST”. You are quite right! It’s sport.