Интегральная чувствительность фотоэлемента

Лабораторная работа № 12.

Изучение явления фотоэффекта.

I. Цель работы.

Изучение законов фотоэффекта. Определение интегральной чувствительности фотоэлементов, проверка закона Столетова.

II.Приборы и принадлежности:

Источник света - лампа накаливания; люксметр; фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом (диаметр катода 3 см); вентильный фотоэлемент (s= 1мм²); вольтметр и микроамперметр; блок питания - Б-5-47.

III. Вопросы ответы на которые необходимо знать для получения допуска к работе:

1. Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Устройство фотоэлемента, использующего внешний фотоэффект.

2. Внутренний фотоэффект: фотопроводимость и фотогальванический эффект.

3. Чувствительность фотоэлемента. Возможность экспериментального определения интегральной чувствительности.

4. Основные фотометрические величины и единицы их измерения.

Введение в теорию.

Квантовая природа света отчетливее всего проявляется в явлении фотоэффекта.

Внешний фотоэффект наблюдается в металлах. При освещении металла фотоны поглощаются электронами проводимости, при этом увеличивается энергия электронов. Если энергия отдельного электрона превышает работу выхода из металла, то электрон покидает металл. Энергетический баланс этого взаимодействия устанавливается уравнением Эйнштейна:

hn=A+mv²/2,

где hn - энергия фотона, n - частота света, А - работа выхода электрона, mv²/2 - максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Даже при монохроматическом освещении энергия электронов, вылетающих из фотокатода, оказывается неодинаковой. Электроны в веществе обладают разными энергиями, располагаясь по уровням разрешенных зон. Под работой выхода А понимают энергию, необходимую для удаления электрона с самых верхних заполненных уровней. Энергия, которую надо затратить, чтобы удалить электрон с нижерасположенных уровней, превосходит А, и кинетическая энергия таких электронов оказывается меньше. Кроме того, электроны могут терять часть своей энергии на пути к поверхности фотокатода. Уравнение Эйнштейна определяет поэтому кинетическую энергию не всех, а только наиболее быстрых электронов.

Опытным путем были установленыследующие законы фотоэффекта.

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для металла существует красная граница(порог) фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны l₀, при которой фотоэффект еще возможен. Если длина волны падающего (поглощаемого) света l>l₀, то фотоэффект не наблюдается. Величина l₀ зависит от природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна. Электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е. hn ³ A . Полагая hn₀ = А, получаем l₀=c/n₀=hc/A.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах -двухэлектродных приборах, в которых падающая на поверхность катода энергия света превращается в энергию электрического тока (рис. 1).

Внутренняя поверхность стеклянного баллона фотоэлемента покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него имеется прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода - возникает

фотоэффект.

Установка для изучения фотоэффекта представляет собой вакуумный фотоэлемент, на электроды которого подается напряжение, меняющееся с помощью потенциометра (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2

Снимая вольт-амперную характеристику, т.е. зависимость фототока от напряжения на аноде при постоянном световом потоке, получают кривые Столетова (рис.3).

Рис. 3

Как видно из графика, при увеличении анодного напряжения сила тока i вначале увеличивается, так как при этом все большее число вылетевших из катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Величина этого тока служит мерой фотоэффекта и называется током насыщения. Установленный на опыте закон пропорциональности тока насыщения световому потоку

i_нас= gФ

носит название закона Столетова. Величина g=i_нас/Ф является чувствительностью фотоэлемента.

Различают интегральную и спектральную чувствительность фотоэлемента.

Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения.

Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1-10 Па. Такие фотоэлементы называют газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа электронами, покидающими катод под действием света. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, возникающие при ионизации газа. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 150 - 200 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит также применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), которые используются для измерения световых потоков малой интенсивности и в электронно-оптических преобразователях (ЭОП), с помощью которых можно усилить яркость рентгеновского изображения или преобразовать инфракрасное излучение в видимое.

Пользуясь уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта можно экспериментально определить важнейшую квантовую постоянную Планка h. Для этого в большинстве случаев используют метод задерживающего потенциала, суть которого состоит в следующем: к электродам вакуумного фотоэлемента подводится обратное (запирающее) напряжение, как это показано на рис. 4.

Рис. 4

При напряжении U_З=0, электроны, покинувшие катод фотоэлемента под действием фотонов монохроматического света с частотой n, достигают анода, образуя электрический ток, называемый фототоком. Величина фототока регистрируется измерительным прибором. При увеличении задерживающего потенциала часть электронов, энергия которых невелика, не достигает анода, ток фотоэлемента уменьшается. При некоторой величине задерживающего потенциала даже самые быстрые электроны не будут достигать анода и ток в цепи будет равен нулю.

В этой точке

eU_З= mv²/2,

и, следовательно, hn=eU_З+A, или U_З=(hn-A)/e, т.е. величина задерживающего потенциала U_З зависит линейно от частоты света n.

Освещая катод фотоэлемента монохроматическим светом с частотами n₁<n₂<n₃ и измеряя величину фототока при изменении задерживающего потенциала, получим семейство вольт-амперных характеристик, представленных на рис. 5.

Рис. 5

Определив величины U₁, U₂, U₃ и т.д., и построив график зависимости U_З=f(n) (рис. 6), можно определить U_З=(hn-A)/e и tga=h/e.

Рис. 6

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводника. Если эта энергия hn больше ширины DW запрещенной зоны, то электроны переходят в чистом полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.

Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Они имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов, что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Фоторезисторы применяются в фотометрической аппаратуре для измерения световых энергетических величин, а также в фоторелейных устройствах.

Особый практический интерес представляетвентильный (фотогальвани-ческий) эффект, возникающий при освещении контакта полупроводников с p- и n-проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем. В переходном слое, возникающем в месте контакта полупроводников p- и n-типа, создается 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 полупроводников наблюдаетсявнутренний фотоэффект, заключающийся в образовании электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля p-n перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, и на p-n - переходе создается добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна величине потока. поскольку она определяется числом образующихся в полупроводнике электронно-дырочных пар. т.е. числом фотонов в потоке.

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

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов.

Она может достигать нескольких тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также для измерения светового потока и освещенности в фотометрической практике.

Селеновый фотоэлемент (рис. 7) представляет собой слой 2 селена, нанесенный на полированную железную пластинку 1.

При нагревании селен переходит в кристаллическую модификацию, обладающую дырочной p-проводимостью. Сверху напыляется тонкая пленка 3 серебра. В результате диффузии атомов серебра внутрь селена на границе образуется слой селена с примесью серебра, обладающий электронной n-проводимостью.

Рис. 7

Таким образом, создается контакт между чистым селеном и селеном с примесью, и возникает p-n - переход. При освещении фотоэлемента свет легко проходит через тонкую пленку серебра. Фотоны поглощаются электронами, и возникает фотоЭДС. Если соединить проводником железную пластинку с пленкой серебра, то микроамперметр, включенный в цепь, покажет ток, текущий от железа к верхнему электроду.

Экспериментальная часть.

Задание I. Изучение вакуумного фотоэлемента и определение интегральной чувствительности.

Интегральная чувствительность фотоэлемента

g=i_нас/Ф(1)

Из фотометрии известно, что

Ф =E×S, (2)

где Е - освещенность, а S - площадь освещаемой поверхности. Освещенность, создаваемая точечным источником, равна

Е == I/R², (3)

где I - сила света источника,

R - расстояние от источника до освещаемой поверхности. Имея ввиду эти соотношения, получим формулу для определения интегральной0020чувствительности фотоэлемента:

g=(i_нас× R²)/(I×S)(4).

В качестве источника света в установке используется лампа накаливания 1 (рис. 8), которая может перемещаться в непрозрачном пенале 2, имеющем гнездо для фотоэлемента 3 и выключатель лампы 4. Расстояние между нитью накала лампы и фотоэлементом R измеряется линейкой 5.

Рис. 8

1. Не включая лампу, измерить люксметром фоновую освещенность E_ф, поместив датчик люксметра в гнездо для фотоэлемента.

Используемый в работе люксметр изображен на рис. 9. В датчике люксметра установлена насадка "КМ". При нажатой кнопке 1 нужно пользоваться нижней шкалой, при нажатой кнопке 2 - верхней. Пределы этих шкал соответственно 300 лк и 1000 лк.

Рис. 9

2. Включить лампу и измерить люксметром освещенность E в гнезде фотоэлемента при четырех расстояниях R от источника света (20, 30, 40, 50 см).

3. Определить силу света источника для каждого случая по формуле

I=E₀×R²,

где E₀=E-E_ф, и найти среднее <I>. Рассчитать световой поток Ф по формуле

Ф =E₀×S.

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

R(м)	Е_ф(лк)	Е_ф(лк)	I(кд)	Ф(лм)
0,2
0,3
0,4
0,5

Собрать электрическую схему (рис. 10), вставив в гнездо вакуумный фотоэлемент.

Рис. 10

Источником постоянного тока служит блок питания Б-5-47. Сила фототока измеряется микроамперметром.

ВНИМАНИЕ! Микроамперметр является очень чувствительным прибором, поэтому во избежание поломки прибора его не следует сдвигать с места.

Цена деления прибора указана на его панели.

Разность потенциалов между анодом и катодом фотоэлемента устанавливается переключением напряжения на блоке питания Б-5-47.

5. Снять 4 вольтамперные характеристики фотоэлемента, установив источник света на четырех различных расстояниях R от него (20, 30, 40, 50 см). Для снятия каждой характеристики необходимо, увеличивая напряжение на блоке питания от 0 с шагом в 1 вольт, измерять соответствующую напряжению величину фототока i. Измерения необходимо проводить до получения фототока насыщения, который нужно зафиксировать как минимум тремя точками. Результаты измерений занести в таблицу.

U(В)	R = 20см	R = 30см	R == 40см	R = 50см
i(мкА)	i(мкА)	i(мкА)	i(мкА)
.

Построить графики зависимости i=f(U) для каждого расстояния R от источника света до фотоэлемента.

6. Построить график зависимости силы тока насыщения i_нас от величины светового потока Ф: i_нас=f(Ф). Найти из графика g.

7. Вычислить интегральную чувствительность g фотоэлемента по формуле (4) и найти среднее<g>. (Площадь катода равна площади полусферы, диаметр катода указан в описании приборов).

8. Вычислить погрешность Dg измерения чувствительности фотоэлемента g.

Задание 2. Определение интегральной чувствительности вентильного фотоэлемента.

1. Заменить в установке вакуумный фотоэлемент на вентильный.

2. Собрать схему (рис. 11).

Рис. 11

3. Измерить величину фототока i при различных расстояниях R источника света от фотоэлемента (от 5 до 40 см через 5 см).

4. Результаты измерений занести в таблицу.

R (см)			...
I(мкА)

5. Вычислить интегральную чувствительность g фотоэлемента и найти <g>.

6. Построить график зависимости i=f(1/R²)

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2 - М. Наука, 1978.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика - М. Наука, 1980.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: