fizpr

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

3.Для каждого вещества существует «красная граница» (4), зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Фотоэффект используется в фотоэлементах - приборах, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом, так называемые вакуумные или газонаполненные, с внутренним фотоэффектом - фотосопротивления и фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое - вентильные.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон низкого давления, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. Анод в виде кольца или сетки, размещается в центре баллона. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородноцезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый.

При освещении фотокатода К светом, содержащим длины волн, способные вырвать электроны, по цепи (рис. 1) пойдет ток. Его величина зависит от интенсивности и спектрального состава падающего света. Фотоэлектроны, покинувшие катод, могут

211

управляться электрическим полем, приложенным между катодом и анодом А от внешнего источника Б с помощью потенциометра R.

При изучении зависимости фототока I (рис. 2), возникающего при облучении металла потоком монохроматического света, от разности потенциалов U между электродами (такая зависимость называется вольтамперной характеристикой фототока - ВАХ), установлено, что:

1)фототок возникает не только при U = 0, но и при U < 0;

2)фототок отличен от нуля до строго определенного для данного металла отрицательного значения разности потенциалов U3, так называемого задерживающего потенциала;

Рисунок 1

Рисунок 2

212

3) величина U3 не зависит от интенсивности падающего света, при U=U3 ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальнойскоростью Vmax , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода, т.е.

	mVMAX2	= eU		,	(5)
	2		з
где е=1,6··10-19 Кл –	заряд электрона.
С учетом этого уравнение Эйнштейна (2) для фотоэффекта
можно записать как hν = Авых	+ eU3, откуда расчетная формула для
определения работы выхода электрона из материала фотокатода
Aвых = hν –eU 3					(6)

4)фототок растет с уменьшением абсолютного значения U3;

5)по мере увеличения U3 фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число электронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока Iнас - тока насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны,

испускаемые катодом, достигают анода: Iнас= en, где n - число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

6) величина Iнас растет с увеличением интенсивности падающего

света;

7)величина U3 зависит от частоты падающего света;

8)скорость вырванных фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от его частоты.

Фотоэлементы - безинерционные приборы, для которых

213

наблюдается строгая пропорциональность между фототоком и интенсивностью падающего излучения. Это позволяет использовать их в качестве фотометрических приборов, для контроля, управления и автоматизации различных процессов, для сигнализации и локации в области невидимого излучения, в технике звукового кино, в различных системах связи.

В данной лабораторной работе исследуется зависимость фототока I от величины приложенного к фотоэлементу напряжения U (ВАХ фотоэлемента) при разной интенсивности J падающего на фотокатод монохроматического излучения, а также определяется работа выхода электрона для материала фотокатода.

Все детали установки располагаются на оптической скамье. В качестве источника монохроматического (λ= 632,8 нм) излучения используется гелий-неоновый лазер с линейно поляризованным (см. лаб. раб № 504) излучением. Для изменения его интенсивности используется поляризатор (см. там же), закрепленный в держателе и расположенный между лазером и исследуемым фотоэлементом Ф-28, Регулировка напряжения, наблюдение и измерение фототока выполняются с помощью измерительного блока.

Порядок выполнения работы

1. Включить лазер (смотри указания на лабораторном стенде). Направить лазерный луч через центр поляризатора в окно фотоэлемента.

214

2. Вращая поляризатор установить его так, чтобы выходящий из него свет имел максимальную интенсивность. По закону Малюса (см. лаб. раб. № 504) для плоскополяризованного света, прошедшего поляризатор,

I =I0cos2α,

где I0 - интенсивность поляризованного, в нашем случае лазерного излучения. Тогда I=Imax, при α = 00 на поляризаторе.

3.На измерительном блоке поставить ручку регулировки напряжения в крайнее левое положение. Обеспечить прямое включение фотоэлемента, для чего нажать кнопку «минус» (на фотокатоде). В этом режиме работы предел измерения вольтметра 50 В. Включить измерительный блок.

4.Увеличивая напряжение снять вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента до получения нескольких постоянных значений тока насыщения Iнас 1 . Результаты занести в таблицу 1.

5.Повторить п.4 при двух других значениях интенсивности света, падающего на фотоэлемент. Получить значения Iнас 2 , Iнас 3 . Для изменения интенсивности на поляризаторе установить углы α2>00, α3>α2 (в пределах 900). Их также отметить в таблице 1.

6.Построить три ВАХ в одной координатной сетке.

7. Для определения работы выхода электрона используется схема с обратным включением фотоэлемента, для чего на измерительном блоке необходимо нажать кнопку «плюс» (на

215

фотокатоде). В этом режиме работы предел измерения на вольтметре 1

В.

8.Для нескольких значений интенсивности падающего света, желательно устанавливаемых ранее (см. п.5), определить величину задерживающего потенциала. Для этого вращением ручки регулировки напряжения добиться нулевых показаний на микроамперметре. Величину напряжения U3, при котором это происходит, отметить в таблице 1.

9.По формуле (6) вычислить работу выхода электрона из материала фотокатода, выразив частоту лазерного излучения через его длину волны (λ= 632,8 нм) и скорость распространения света в вакууме с . Найти среднее значение Авых, абсолютную и относительную погрешность измерений.

10.В выводе к лабораторной работе на основании законов внешнего фотоэффекта провести анализ полученных ВАХ, привести значение вычисленной Авых и ошибки измерений.

Таблица 1 - Результаты измерений и вычислений

								Результаты расчета
	U,В						U3,1 B=			погрешности
α1=00
							Aвых,Дж=
	I,µA							Aвых =
	U,В						U3,2 B=	p=
α2=
	I,µА						Aвых,Дж=
	216

			U,В								tn,p =
									U3,3	B=
α3=
									Aвых,Дж=		Aвых=
			I,µА
(		вых ± Авых ), Дж
	A										ε =

217

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назвать явления, подтверждающие волновую и корпускулярную природу света.

2.Что такое фотон, чему равна его энергия и скорость распространения?

3.Что такое фотоэффект? Какие виды фотоэффекта существуют?

4.Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, какой закон природы оно выражает?

5.Что такое работа выхода электрона из металла? Как экспериментально определить ее величину, от чего она зависит?

6.Что такое «красная граница фотоэффекта»?

7.Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта. Какие экспериментальные факты их подтверждают?

8.Что такое вольтамперная характеристика. Почему ВАХ имеет линейно возрастающий участок?

9.Что такое ток насыщения, задерживающий потенциал?

10.Как экспериментально определить величину задерживающего потенциала, зависит ли она от частоты падающего света?

218

6. ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Лабораторная работа № 601

ИЗУЧЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель работы: изучение вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводникового диода.

Приборы и оборудование: полупроводниковый диод, источник постоянного тока, реостат, вольтметр, миллиамперметр, микроамперметр, трехполюсный ключ.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Зонная теория проводимости металлов", "Полупроводники" и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

Граница раздела двух полупроводников, один из которых имеет электронную (п - типа), а другой – дырчатую проводимость (р - типа), называется электронно-дырочным переходом (или р-п– переход). Полупроводниковое устройство, которое содержит один р-п переход, называется полупроводниковым диодом, который практически проводит электрический ток только в одном направлении и может быть использован как выпрямитель сменного тока.

219

Рассмотрим явления, которые возникают при контакте между полупроводниками п - и р-типа с одинаковыми концентрациями донорных и акцепторных примесей (рис. 1б).

а)

б)

Концентрация примесей

xp x0 xn

+-

	n	+	-	p
		+	-
		+	-
Nд			Д
	Доноры	+
			-	Акцепторы
Nа

x

в)

г)

Концентрация	электронов и дырок
Образование	потенциального барьера

p(x)

n(x)

φ (x)

pn

nn

pp

x

np

Uк

x

Рисунок 1

Концентрация электронов в п- области намного больше, чем в р-области, а концентрация дырок в р-области высшая, чем в п-

220