В индивидуальной учебной работе по физике на тему «Исследование явления фотоэффекта и его применения» рассматривается принцип появления фотоэффекта и его способы проявления в повседневной жизни человека.

Подробнее о работе:

В рамках исследовательского проекта по физике о явлении фотоэффекта рассмотрена теоретическая информация об испускании электронов из твердого (или жидкого) тела в вакуум под влиянием света, которое называется фотоэлектронной эмиссией, внешним фотоэлектрическим эффектом или просто фотоэффектом. Также автором было дано определение понятий "внутренний фотоэффект" и "внешний фотоэффект".

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Исследование явления фотоэффекта и его применения» учащийся 8 класса особое внимание уделил описанию экспериментальной установки и обработке результатов. В рамках проведенного практического эксперимента школьник выяснил, что такое фотоэффект и при каких условиях он достигается.

Оглавление

Введение
1. Внутренний фотоэффект.
2. Описание экспериментальной установки. Обработка результатов.
3. Задание.
Источники информации

Испускание электронов из твердого (или жидкого) тела в вакуум под влиянием света называется фотоэлектронной эмиссией, внешним фотоэлектрическим эффектом или просто фотоэффектом. Это явление было открыто Г. Герцем в 1887г. и в настоящее время широк используется в различных фотоэлектронных приборах (фотоэлементах фотоэлектронных умножителях, электронно-оптических преобразователях и т.д.), а также является важным способом изучения энергетической структуры вещества.

Наряду с внешним фотоэффектом существует явление внутреннего фотоэффекта, при котором эмиссии электронов за предел тела не происходит, а имеет место поглощение веществом (полупроводником) света, приводящее к возбуждению электронов заполненной зоны или уровней примеси полупроводника. Наиболее широко используется следующие проявления внутреннего фотоэффекта: изменение электропроводности однородного полупроводника (фотопроводимость) и появление электродвижущей силы в неоднородном полупроводнике (фото-ЭДС и р-п переходах).

Целью данной работы является изучение закономерностей внутреннего и внешнего фотоэффекта и исследование характеристики некоторых типов фотоэлементов и фотосопротивлений, работа которых основана на этом явлении
 

Рассмотрим вначале закономерности фотоэлектронной эмиссии из металлов. На ранней стадии изучения фотоэлектронной эмиссии было установлено, что фототок насыщения пропорционален первой степени интенсивности падающего света (закон Столетова). Однако в дальнейшем оказалось, что эта зависимость характерна только для области слабых световых потоков. С появлением лазеров было экспериментально показано, что фототок более сложно зависит от интенсивности.

Другой особенностью фотоэлектронной эмиссии (закон Эйнштейна для фотоэмиссии) является независимость максимальной энергии эмитируемых электронов от интенсивности поглощаемого излучения и существование длинноволновой (красной) границы фотоэффекта: такой длины света λ0, при которой фотоэффект исчезает и отсутствует, если λ ≥ λ0. Фотоэлектронная эмиссия является практически безынерционной. Поэтому при низких интенсивностях света временной ход фототока точно повторяет временную зависимость светового потока.

Некоторые из перечисленных закономерностей фотоэффекта находятся в противоречии с основными представлениями волновой теории света. Так, в частности, поскольку амплитуда световых волн определяет мощность светового потока, то должны были бы получить возрастание скорости вырываемых электронов с увеличением интенсивности падающего света. В действительности такой зависимости не существует: с увеличением мощности падающего света возрастает лишь число выбрасываемых электронов, т.е. фототок насыщения.

В 1905г. Эйнштейн показал, что основные закономерности фотоэффекта, объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (квантами), какими он испускается. Если энергия поглощенного кванта hν, то она расходуется на вырывание электронов из металла и сообщение ему кинетической энергии

Из формулы (1) видно, что скорость вылетающих электронов из металла с работой выхода e определяется только частотой излучения, причем при частоте ν = ν0, соответствующей равенству — v_0=eφ/h, скорость вылетающих электронов равна нулю. Очевидно, что частота ν0 и определяет красную границу фотоэффекта.

Так же естественно объясняется пропорциональность фототока насыщения мощности падающего света. С возрастанием общей мощности светового потока возрастает число отдельных порций энергии — ε=hν, а, следовательно, и число вырываемых в единицу времени электронов. Так как ток пропорционален количеству вырываемых электронов, то тем самым объясняется и пропорциональность тока насыщения мощности светового потока.

Имеются также фотоэлементы, наполненные каким-либо инертным газом при небольшом давлении. Это ведет к увеличению чувствительности фотоэлемента, так как при достаточной разности потенциалов между катодом и анодом каждый фотоэлектрон может ионизовать атомы газа и, следовательно, создавать лишние электроны. По этой причине вольтамперная характеристика газонаполненных фотоэлементов имеет участок насыщения в области небольших ускоряющих напряжений (ионизация отсутствует), который при дальнейшем увеличении напряжения исчезает, так как начинается усиление первичного фототока за счет ионизация столкновением. Можно поэтому ввести коэффициент газового усиления G как отношение фототока при текущем значении ускоряющего напряжения к фототоку насыщения в области небольших ускоряющих напряжений. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов выше, чем у вакуумных, и достигает 100 мкА/лм.

Как уже отмечалось, наряду с внешним фотоэффектом существует явление внутреннего фотоэффекта, при котором происходит изменение внутреннего электронного состояния некоторых веществ (полупроводников, диэлектриков). При облучении их светом эмиссия электронов за пределы твердого тела отсутствует, но имеет место возбуждение электронов заполненной зоны или электронов на уровнях примесей полупроводника, что приводит к увеличению концентрации электронов в зоне проводимости и. следовательно, к увеличению электропроводности.

Фотоэлементы этого типа носят название фотоэлементов с внутренним фотоэффектом или фотосопротивлений. Различают собственную и примесную фотопроводимость. В первом случае при поглощении фотонов генерируются пары электрон - дырка. Появление добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и добавочных (неравновесных) дырок в валентной зоне увеличивает электропроводность кристалла.

Это увеличение пропорционально интенсивности света. Во втором случае в результате поглощения света электроны в полупроводнике n-типа переводятся с донорных уровней в зону проводимости, а в полупроводнике р-типа электроны из валентной зовы переходят на уровни акцепторов. В итоге возникает или электронная, или дырочная фотопроводимость. После прекращения освещения концентрация неравновесных носителей уменьшается по закону:
n=n_0+∆n_0 exp⁡(-t/τ), где n0 – равновесная концентрация; n Δ – первоначальное её увеличение при освещении; – время жизни носителей, t- текущее время. Характеристики фотосопротивлений сильно зависят от температуры.

Они не обладают температурной устойчивостью, поэтому область их применения в основном ограничивается регистрацией излучений в различных областях спектра. Особый интерес представляет явление внутреннего фотоэффект» в запирающем слое. Примером служит меднозакисный фотоэлемент, схематично представленный на рис.2.

На медную пластину А, служащую одним из электродов, наносится тонкий слой закиси меди, а затем очень тонкий, прозрачный для света слой В, например, из золота. Этот слой служит вторым электродом. Если соединить оба электрода и осветить через прозрачный электрод Cu2O, то возникает электрический ток в направлении от меди к закиси меди. Действие прибора сводится в следующему: под влиянием света в слое Cu2O появляются фотоэлектроны.

Пограничный слой между Cu и Cu2O обладает выпрямляющим свойством: он позволяет электронам проходить лишь в направлении от Cu2O в Cu. В результате высвобожденные светом электроны могут двигаться через слой лишь в одном направлении, создавая в цепи ток. Кроме меднозакисных фотоэлементов, имеются также серно-серебрянные, селено-свинцовые, теллуро-свинцовые.

Чувствительность фотоэлементов с запирающим слоем монет достигать 1мА/лм. Особенностью этих фотоэлементов является то, что они создают в цепи ток без приложенной извне электродвижущей силы. Поэтому они являются преобразователями световой энергии в электрическую. Однако коэффициент их полезного действия пока низок и не превышает единиц процентов.

Для экспериментального исследования фотоэмиссии используются фотоэлементы: вакуумный СЦВ-3, газонаполненный ЦГ-3, работающие на внешнем фотоэффекте и фотосопротивление ФСК, работающее на внутреннем фотоэффекте. В работе необходимо получить основные характеристики этих элементов: вольтамперные, световые, спектральные, по которым можно судить о закономерностях явления фотоэмиссии.

Для измерений используется установка, электрическая схема которой представлена на рис.3. Вольтамперные характеристики фотоэлементов СЦВ-3 и ЦГ-3 снимаются при двух значениях освещенности. Световой поток создается электрическими лампочками EL2, EL3 и EL4, EL5, которые включаются в отдельности или попарно. Ввиду того, что лампочки расположены симметрично относительно фотоэлементов и имеют одинаковые электрические параметры, можно полагать, что при их попарном включении световой поток равен удвоенному значению потока, создаваемого одной лампой. Включение в схему вакуумных фотоэлементов и лампочек накаливания осуществляется переключателями S2, S3, S4, а фотосопротивления - переключателем S1.

Для изменения светового потока, создаваемого электрической лампочкой EL1 и падающего на фотосопротивление, служит переменное сопротивление R4, с помощью которого изменяют напряжение нити накала лампочки и, следовательно, температуру нити. Напряжение на фотоэлементах и фотосопротивлении измеряется вольтметром PVI, а токи приборами PA1 и РА2. Напряжение нити накала измеряется вольтметром PV2. Необходимое напряжение питания создается трансформатором Т1, выпрямителем, собранном на диодах VД1 – VД8, сглаживающими фильтрами C1, R1, С2 и СЗ, R2, С4. При снятии спектральной характеристики фотоэлемента СЦВ-3 необходимо иметь монохроматическое излучение.

С этой целью используются светофильтры. Обсудим методику получения спектральной характеристики фотоэлемента. В соответствии с законом Столетова ток насыщения i(λ) фотоэффекта при облучении светом с длиной волны λ может быть представлен в виде i(λ)= βS_λ Ф(λ), где Sλ – чувствительность фотоэлемента на длине волны λ, Ф(λ) – световой поток, падающий на фотоэлемент, β – коэффициент пропорциональности.

Так как световой поток Ф(λ) является частью потока световой энергии E(λ), испускаемого накаленной вольфрамовой нитью лампочки на длине световой волны λ в интервале Δλ, можно считать, что Ф(λ)=KE(λ)=〖Kr〗_λТ ∆λS, где К-коэффициент пропорциональности, λт r′ - испускательная способность вольфрамовой нити накала, нагретой до температуры Т, на длине волны λ в интервале Δλ длин волн, определяемого полосой пропускания светофильтра, S – площадь поверхность нити. Будем полагать, что Δλ = ελ, где ε – некоторый коэффициент пропорциональности.

Поэтому Φ(λ)+K_ε r_λт' λS . Величину λ_(т r') в свою очередь можно выразить через испускательную способность т λr абсолютно черного тела: r=r_λt a_т где aт – поглощательная способность вольфрама. Поглощательная способность вольфрама относительно слабо зависит от λ, а определяется в значительной мере температурой (рис.4). Таким образом, чувствительность фотоэлемента на длине волны λ выражается формулой:

Нетрудно видеть, что зависимость чувствительности Sλ фотоэлемента от длины световой волны определяется функцией, в которой ток насыщения i(λ) можно найти из вольт-амперной характеристики фотоэлемента при монохроматическом облучении, т.е. на каждой длине волны. В выражении для функции f(λ) остается тогда неизвестной r λ т испускательная способность абсолютно черного тела. Излучение абсолютно черного тела хорошо изучено и описывается формулой Планка. При расчетах удобно использовать формулу Планка, записанную в приведенных координатах, зависимость между которыми представлена на рис.5

1. Снять вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов в интервале напряжений от 0 до 300В при двух значениях освещенности.
2. Выяснить зависимость фототока от освещенности. Для газонаполненного
3. фотоэлемента определить коэффициент газового усиления.
4. Снять спектральную характеристику вакуумного фотоэлемента и сравнить её с типовой. Температура нити накала Т=2070 К. Оценить красную границу фотоэффекта.
5. Снять световые характеристики фотосопротивления при ускоряющих напряжениях 20В, 40В, 60В.

 

1. Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Физические основы электронной техники. / С.А.Фридрихов, C.М. Мовнин. М:. Высшая школа, 1982. С.468-479.
2. Радиофизическая электроника /Под редакцией Н.А.Капцова. М:. МГУ. 1960. С.50-52,125-142.
3. Гамаюнов Ю.Г. Пособие к лабораторным работам по физической электронике. / Ю.Г.Гамаюнов, Ю.П. Радин, А.А. Кипчатов. Саратов:.Изд. СГУ, 1987. С.88-103.