Задачи к лабораторной работе. Изучение вентильного фотоэффекта
Лабораторная [В.М.1] работа № 6.7
ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы
Изучение вентильного фотоэффекта. Построение световых характеристик, определение чувствительности фотоэлемента.
Краткая теория
Вентильный фотоэффект заключается в возникновении электродвижущей силы в 
переходе под действием света. 
переход образуется в области контакта полупроводников с разным типом проводимости или в области контакта полупроводника и металла. Наибольшее практическое значение имеет вентильный фотоэффект, возникающий в области контакта полупроводников с разным типом проводимости. Рассмотрим именно такой случай[В.М.2] .
 |
Имеется монокристалл с переходом А-А в месте контакта полупроводников 
и 
типа, рисунок 7.1а. Толщина одного из полупроводников, в нашем случае полупроводника типа , очень мала, так, что этот полупроводник прозрачен для света. При отсутствии светового потока на контакте А-А электронного “ ” и дырочного “ ” полупроводников (рисунок 7.1а) благодаря контактным явлениям возникает контактная разность потенциалов и контактное электрическое поле 
. Причем полупроводник типа “ ” заряжен положительно, а полупроводник типа “ ”- отрицательно[В.М.3] .
 |
При освещении 
перехода полупроводников светом (рисунок 7.1б) фотоны света взаимодействуют с валентными электронами полупроводников в переходе и стремятся передать электронам свою энергию 
. Если энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны основного полупроводника:
, (1)
то из валентной зоны электроны могут перебрасываться в зону проводимости, а в валентной зоне при таких переходах появляются дырки (рисунок 7.2). Благодаря этому в переходе возникают дополнительные свободные носители заряда, электроны и дырки.
Под действием контактного поля фотоэлектроны из перехода перемещаются в полупроводник - типа, а дырки перемещаются в полупроводник - типа (рисунок 7.1б). Этот процесс приводит к накоплению добавочных отрицательных зарядов в “ ” полупроводнике и положительных зарядов в “ ” полупроводнике. На границах 
перехода появляется дополнительная разность потенциалов, которая и представляет собой фотоэлектродвижущую силу (фото-э.д.с.).
Если включить такой переход в замкнутую электрическую цепь, то в этой цепи под действием света возникнет электрический ток, который называется фототоком 
. Возникающий в цепи фототок зависит от падающего светового потока, сопротивления цепи и свойств фотоэлемента. Зависимость фототока от светового потока 
называется световой характеристикой фотоэлемента. Обычно световая характеристика строится в виде графика 
в режиме короткого замыкания, т.е. при сопротивлении внешнего участка цепи 
.
В нашей установке:
, (2)
где 
- освещенность фотоэлемента, а 
- его площадь. Так как мы используем точечный источник света и луч света перпендикулярен к поверхности фотоэлемента, то:
(3)
Здесь 
- сила света источника, 
- расстояние от источника света до фотоэлемента.
Тогда:
(4)
Важной характеристикой фотоэлемента является его чувствительность. Чувствительностью 
называется отношение фототока к падающему на фотоэлемент световому потоку :
(5)
Обычно чувствительность измеряется в микроамперах на люмен. Учитывая (4), получим:
(6)
Если перед фотоэлементом установлена диафрагма с диаметром 
, меньшим диаметра фотоэлемента, то 
- это площадь светового пятна, вырезаемого диафрагмой. Тогда:
(7)
Формула (7) является рабочей для экспериментального определения чувствительности фотоэлемента. Еще раз напоминаем, что обычно в формулу (7) фототок подставляется в микроамперах[В.М.4] .
 |
Описание установки
Основные детали конструкции вентильных фотоэлементов показаны на рисунке 7.3. Нижний электрод (1), представляет собой прочную металлическую пластину. На него наносится полупроводник (2-3). Затем нижний электрод с нанесенным на него полупроводниковым слоем подвергается соответствующей обработке. Цель этой обработки заключается в создании в толще полупроводника 
перехода (2-3), играющего основную роль в осуществлении фотоэлектрических процессов. На наружную поверхность полупроводникового слоя наносится верхний металлический электрод (4), представляющий собой настолько тонкий слой металла, что он обладает способностью пропускать свет.
 |
Для предохранения фоточувствительной поверхности фотоэлемента от вредного влияния окружающей среды, она покрывается пленкой прозрачного лака (5). Фотоэлемент помещается в пластмассовую оправу (6) с окошком для света[В.М.5] .
Схема лабораторной установки представлена на рисунке 7.4. Источник света (1), светофильтр (2), диафрагма (3), фотоэлемент (4) устанавливаются соосно при помощи оптической скамьи (7). К фотоэлементу для измерения фототока подключен гальванометр (6) через магазин резисторов (5).
Выполнение работы
Задание 1. Построение световой характеристики фотоэлемента
Как отмечалось выше, световой характеристикой называется зависимость фототока от падающего светового потока в режиме короткого замыкания.
Работу рекомендуется выполнять в следующем порядке:
1. Собрать установку без светофильтра и диафрагмы.
2. . Установить режим короткого замыкания, т.е. в магазине резисторов.
3. Установить фотоэлемент и источник света на максимальном расстоянии друг от друга.
4. Включить источник света.
5. Перемещением фотоэлемента убедиться, что во всех точках оптической скамьи фотоэлемент находится в центре светового поля. Если это не так, произвести необходимую регулировку.
6. Вернуть фотоэлемент на максимальное расстояние от источника света.
7. Приближая фотоэлемент к источнику света, произвести измерения фототоков в точках оптической скамьи, отстоящих друг от друга на расстоянии 5 см. Одновременно измерять расстояния от источника света до фотоэлемента. Результаты занести в таблицу.
8. Вычислить световые потоки для всех .
9. Построить график зависимости , т.е. световую характеристику.
Задание 2. Изучение работы фотоэлемента в цепи с нагрузкой
Для выполнения этого задания необходимо построить зависимости 
при различных сопротивлениях 
, включенных в цепь фотоэлемента. Работа должна выполняться так же как и задание 1, но последовательно с гальванометром должен быть включен резистор. Необходимые значения устанавливаются при помощи магазина. Работу необходимо выполнить при 3-5 различных значениях . Воспользовавшись законом Ома для полной цепи, оцените по результатам измерений внутреннее сопротивление фотоэлемента.
Задание 3. Изучение чувствительности фотоэлемента
Напомним, что чувствительностью фотоэлемента называется отношение фототока к падающему световому потоку :
(5)
Обычно чувствительность фотоэлемента определяется в режиме короткого замыкания, то есть при сопротивлении магазина равном нулю. Рабочей формулой для выполнения задания 3 является формула (6). В соответствии с этим рекомендуется порядок выполнения задания, приведенный ниже.
1. Собрать установку по рисунку 7.4 без светофильтра.
2. Установить сопротивление магазина равным нулю.
3. Включить лампу осветителя.
4. Установить диафрагму непосредственно перед фотоэлементом и записать ее диаметр.
5. Установить фотоэлемент на максимальном расстоянии от источника света.
6. Измерить по микроамперметру величину 
фототока и расстояние до источника света.
7. Приближая фотоэлемент к источнику света, произвести измерения по пункту 6 при одной и той же диафрагме не менее 6 раз.
8. По формуле (6) вычислить значения 
для всех опытов и вычислить среднее значение
, (8)
где - число опытов по определению .
9. Вычислить эмпирический стандарт среднего 
по формуле:
(9)
10. Сменить диафрагму. С новой диафрагмой произвести измерения и их обработку, как описано в пунктах 5-9.
11. Сравнить значения чувствительности фотоэлемента, полученные в двух сериях опытов.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление фотоэффекта? Какие существуют виды фотоэффекта?
2. Что называется световой характеристикой фотоэлемента?
3. Как объяснить полученные зависимости (графики)?
4. Как влияет сопротивление нагрузки на работу фотоэлемента?
5. Что называется чувствительностью фотоэлемента?
6. Как в данной работе определяется чувствительность фотоэлемента?
7. Как влияет расстояние до источника света на чувствительность фотоэлемента?
8. Как влияет величина светового потока на чувствительность фотоэлемента
Задачи к лабораторной работе
1.1Селеновый фотоэлемент имеет чувствительность равную 200 мА/лм. Принимая, что такая же чувствительность имеет место при освещении фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны 0,55 мкм, определите, сколько фотонов приходится на 1 электрон, участвующий в фототоке.
1.2Какой должна быть ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен светодиод, светящийся зеленым светом ( 
= 500 нм)?
1.3Какую силу тока (в мкА) покажет гальванометр, присоединенный к селеновому фотоэлементу, если на расстоянии 75 см от него поместить лампочку, световой поток которой равен 1200 лм? Рабочая поверхность фотоэлемента равна 10 см 
, чувствительность 300 мкА/лм.
2.1Монохроматическое излучение с длиной волны 6000 
падает на поверхность фотоэлемента, чувствительность которого 9 мА/Вт, освобождая при этом 1000 фотоэлектронов. Определите число квантов света, падающих на поверхность.
2.2Какой заряд в кулонах протечет по внешней цепи, если на фотоэлемент падает монохроматическое излучение с длиной волны 0,2 мкм. Энергия падающего светового потока 10 
Дж. Квантовый выход равен 0,1.
2.3Свет с длиной волны 0,5 мкм нормально падает на зеркальную поверхность и производит на нее давление 4 мкПа. Определите число фотонов, падающих за 10 с на площадь равную 1 мм .
3.1Лампа с силой света 100 кд находится на расстоянии 50 см от фотоэлемента. Определите чувствительность фотоэлемента в мкА/лм, если ток равен 10 мкА и площадь фотокатода 20 см .
3.2Оцените число электронно-дырочных пар, возникающих за 1 с в исследуемом фотоэлементе при токе, равном 20 мкА.
3.3Рассчитайте квантовый выход (отношение числа электронов к числу фотонов) для фотоэлемента с чувствительностью 10 
А/Вт. Длину световой волны взять равной 500 нм.
4.1Какова ширина запрещенной зоны сурьмянистого индия, если его красная граница внутреннего фотоэффекта равна 0,68 мкм?
4.2Квантовый выход фотоэлектронов, т.е. отношение числа вылетевших фотоэлектронов к числу падающих фотонов, равен 0,5. Спектральная чувствительность фотоэлемента 5 мА/Вт. Определите длину волны падающего излучения.
4.3Лампа с силой света 100 кд находится на расстоянии 40см от фотоэлемента, площадь которого равна 20см . Ток во внешней цепи равен 10 мкА. Какой ток потечет в цепи, если лампа будет находиться на расстоянии 60см от фотоэлемента?
5.1Селеновый фотоэлемент имеет чувствительность равную 200 мкА/лм. Принимая, что такая чувствительность имеет место при освещении фотоэлемента монохроматическим светом с длиной волны 500нм, определите число фотонов, приходящихся на один электрон, участвующий в фототоке.
5.2Параллельный пучок монохроматических лучей с длиной волны 0,6 мкм падает на зачерненную поверхность и оказывает на нее давление 0,3 мкПа. Определите концентрацию фотонов в световом пучке.
5.3Импульс излучения, состоящий из 5·10 
квантов света длиной волны 0,5 мкм, падает на фотоэлемент. Количество фотоэлектронов, освобождаемых таким импульсом света, равно 10 . Определите спектральную чувствительность этого фотоэлемента.
6.1Какой должна быть ширина запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен светодиод, светящийся красным светом ( 
=700 нм)?
6.2На каком расстоянии находится фотоэлемент от лампочки со световым потоком 1500 лм, если гальванометр показывает ток 600 мкА? Площадь фотоэлемента 10 см , чувствительность 200 мА/лм.
6.3Рассчитайте квантовый выход для фотоэлемента с чувствительностью 19 мА/Вт. Длину световой волны взять равной 650 нм.
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. М.: "Наука". 1979. § 9.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 3. М.: "Наука". 1980. § 56.
3. Яворский Б.М. и Детлаф В.В. Курс общей физики. Том 3. М.: "Наука". 1971. § 11.1.
[В.М.1]Отработано в июне 2000 г.
[В.М.2]Рисунок7.1
[В.М.3]Рисунок7.2
[В.М.4]Рисунок7.3
[В.М.5]Рисунок7.4