3Адания

1.Построить график зависимости истинной температуры от яркостной температуры для вещества, используемого в работе.

2.Построить график зависимости электрической мощности W_Э от разности температур (). Определить угловой коэффициент.

3.Для определения постоянной Стефана-Больцмана необходимо рассчитать произведение А^.S. С этой целью предварительно определяется электрическая мощность, потребляемая лампой, температура нити накаливания, например, по изменению ее сопротивления от температуры, при 20С сопротивление нити R=0,40 Ом. Для данной лампы A^.S=40мм². Оценить погрешность.

4.Рассчитать постоянную Планка.

5.Начертить ход лучей в пирометре.

Bопросы

1.Что такое спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность)?

2.Как устроен оптический пирометр для измерения яркостной температуры?

3.Что такое яркостная температура?

4.Как производится подготовка оптического пирометра к измерениям?

5.Почему при расчете постоянной Стефана-Больцмана нельзя использовать формулу (4)?

Литература

1.И.В.Савельев. Курс общей физики. 1979г., т.3, гл. 1, 2.

2.Г.С.Ландсберг. Оптика. 1976г.§§164-202.

3.Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Оптика. 1985г., т.5, гл.Х.

Лабораторная работа №10 Определение характеристик фотоэлементов

Краткая теория. Фотоэффектом называются фотоэлектрические явления, которые возникают при облучении светом вещества; к таким явлениям относятся выход электронов из вещества (внешний фотоэффект), перемещение электронов и дырок через границу соприкосновения полупроводников различного типа проводимости (вентильный фотоэффект), изменение электропроводности( внутренний фотоэффект).

Внешний фотоэффект. Элементарное взаимодействие фотона и электрона при внешнем фотоэффекте можно представить как совокупность трех процессов: поглощение фотона, движение электрона, получившего избыточную энергию к поверхности тела, прохождение его через потенциальный барьер. Энергетический баланс при внешнем фотоэффекте устанавливается уравнением Эйнштейна:

h=A+E_M,

где Е_м  максимальная кинетическая энергия, электрона, А  работа выхода, h  энергия фотона,   частота излучения.

При освещении тела монохроматическим излучением кинетическая энергия фотоэлектронов будет различна, так как они вырываются с различных энергетических уровней зоны проводимости.

На внешнем фотоэффекте основано использование вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Важнейшими характеристиками фотоэлементов с внешним фотоэффектом являются вольтамперная характеристика, интегральная и спектральная чувствительность, световая характеристика.

Вольтамперная характеристика  это зависимость фототока от напряжения между электродами фотоэлемента (при постоянном значении светового потока); она имеет вид, представленный на рис.1

рис. 1

. При ускоряющих напряжениях U>0 имеет место фототок насыщения i_H; при напряжении U=0 фототок не равен нулю. Чтобы фототок был равен нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U_З<0. Фототок при напряжениях U<0 имеет небольшое значение и для измерений его требуется специальная аппаратура; кроме того, для точных измерений необходимо учитывать наличие контактных разностей потенциалов между электродами фотоэлемента.

Интегральная чувствительность: S=i_Ф/Ф, спектральная чувствительность: S_=i_Ф/Ф_, где i_Ф  изменение фототока, вызванное изменением светового потока на величину Ф; Ф_ - изменение монохроматического потока с длиной волны λ. Световая характеристика  это зависимость фототока от светового потока (при постоянном напряжении на фотоэлементе). В большинстве случаев световая характеристика определяется для фототока насыщения.

рис. 2

Вентильный фотоэффект (или фотоэффект запирающего слоя) состоит в том, что при освещении границы раздела между двумя полупроводниками с различными типами проводимости или полупроводником и металлом, образуется источник тока. При этом значение ЭДС возрастает при увеличении светового потока; при больших освещенностях может наступить насыщение. Рассмотрим перемещение носителей тока на границе раздела двух полупроводников с различным типом проводимости (см. рис.2). На границе раздела между полупроводниками с электронной проводимостью (n-тип) и дырочной проводимостью (p-тип) возникает контактное электрическое поле, которое направлено от n к p. При образовании границы раздела между полупроводниками из области электронной проводимости электроны проникают в область с дырочной проводимостью, так как там их концентрация будет меньше. Дырки, наоборот, проникают из области дырочной проводимости в область с электронной проводимостью. Это перемещение носителей создает диффузионный ток i_Д. Электрическая нейтральность полупроводника вблизи границы раздела нарушается за счет двух факторов: после перехода электронов и дырок остаются неподвижные ионы (положительные и отрицательные), а также происходит увеличение концентрации электронов в дырочном полупроводнике и дырок  в электронном. Таким образом, вблизи границы раздела возникает объемный заряд и электрическое поле E_К, направленное от электронного полупроводника к дырочному. Возникающее поле будет препятствовать перемещению электронов из n-полупроводника и дырок из p-полупроводника.

Наряду с диффузионным током возникают встречные потоки электронов и дырок, которые перемещаются через границу раздела под действием поля E_К. Этот поток создает ток проводимости (или тепловой ток) i_Е. В условиях равновесия i_Д=i_Е; соответствующее условию равновесия электрическое поле называется контактным полем. При освещении светом происходит образование пар электрон-дырка (на рисунке одна из пар обозначена кружочками со знаком плюс и минус). При подходе к контактному слою дырки под действием контактного поля переходят в р-полупроводник, электроны, наоборот, отбрасываются в n-полупроводник (вверх); поэтому в электронном полупроводнике будет увеличиваться концентрация электронов, в дырочном  дырок. Условие равновесия i_Д=i_Е нарушается, а по всему объему электронного и дырочного полупроводников возникают объемные заряды. Увеличение концентрации электронов и дырок не может продолжаться беспредельно, так как возникающее электрическое поле будет препятствовать их перемещению. Это поле на рис.2 показано штриховыми стрелками. В конечном итоге устанавливается динамическое равновесие, т.е. числа перемещающихся неосновных носителей за одно и то же время в прямом и обратном направлениях будет одинаково. Возникающая при динамическом равновесии разность потенциалов между верхним и нижним электродами равна фотоэдс.

Значение фотоэдс определяется контактной разностью потенциалов между проводниками р и n; последняя равна разности уровней Ферми, которые находятся в пределах запрещенной зоны. Поэтому максимальная величина фотоэдс не может быть больше разности потенциалов между границами запрещенной зоны.

Экспериментальная установка. В работе используются вакуумные, газонаполнительные и вентильные фотоэлементы. Вакуумный фотоэлемент типа СЦВ (рис.3) (сурьмяно-цезиевый вакуумный) представляет собой сферический стеклянный баллон 1, из которого откачан воздух; в центре его расположен анод 2 в виде сетки; фотокатод 3 в виде тонкой пленки нанесен на одну половину внутренней поверхности баллона.

Тонкая пленка наносится путем осаждения сначала паров сурьмы, а потом паров цезия, в результате чего образуется соединение Сs₃Sb.

рис. 3	рис. 4

Красная граница такого фотокатода лежит в видимой части спектрa. Выводы катода и анода сделаны через цоколь. В газонаполненных фотоэлементах (типа ЦТ) баллон заполняется инертным газом (чаще всего аргоном), поэтому первичный фототок усиливается в 6-8 раз за счет возникновения самостоятельного разряда; катод состоит из окиси цезия с примесью избыточного цезия и вкраплениями коллоидных частиц серебра (серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод); красная граница лежит в области инфракрасного излучения (около 1,21,5мкм). Схема включения вакуумных и газонаполненных фотоэлементов приводится на рис.4а; используется выпрямитель на 200В с регулируемым напряжением; фототок измеряется микроамперметром. В качестве источника света применяется лампочка накаливания. Фотоэлемент и источник света монтируются в кожухах и устанавливаются на оптической скамье.

В отличие от фотоэлементов с внешним фотоэффектом, вентильные фотоэлементы являются источниками тока, а поэтому не нуждаются в дополнительных источниках питания. Схема включения вентильного фотоэлемента показана на рис. 4б. В работе используется селеновый фотоэлемент. Селен имеет дырочную проводимость; при нанесении полупрозрачного металлического слоя часть атомов проникает в глубь селена, в результате чего возникают слои с электронной проводимостью. Таким образом возникают два соприкасающихся слоя селена с различными типами проводимости. Схематически устройство селенового фотоэлемента показано на рис.4а, где указано: 1  железная подложка, 2, 3  слои селена с различным типом проводимости, 4  полупрозрачный металлический слой, 5  контактное кольцо. Чувствительность фотоэлемента определяется для короткозамкнутой внешней цепи; его световая характеристика имеет нелинейный характер. При работе селеновый фотоэлемент устанавливается на оптической скамье вместо вакуумного фотоэлемента; источник тока в схему не включается.

Измерения. Для определения вольтамперных характеристик вакуумных и газонаполненных фотоэлементов монтируется установка, схема которой указана на рис.4б. После предварительного прогрева установки снимается зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе (для двух-трех значений светового потока). Световой поток Ф изменяется перемещением источника (или фотоэлемента) вдоль оптической скамьи; значение Ф может быть рассчитано по формуле Ф = I (I  сила света лампочки,   телесный угол пучка лучей, которые падают на эффективную поверхность Q фотоэлемента; =Q/L², Q=R², R  радиус сферической части фотоэлемента, L  расстояние между фотоэлементом и источником). Изменение светового потока можно проводить с помощью вращающегося диска с прорезью (см. работу №1).

При определении световой характеристики применяется та же установка. На электроды фотоэлемента подается такое напряжение, которому соответствует фототок насыщения. Изменение светового потока осуществляется таким же способом, как указано выше. При определении вольтамперных характеристик газонаполненных фотоэлементов устанавливаются те же значения световых потоков, что и при определении характеристик вакуумных фотоэлементов. При выполнении этого задания микроамперметр нужно переключить на другую шкалу, рассчитанную на большой ток.

Для получения световой характеристики селенового фотоэлемента собирается схема, указанная на Рис. 4б. Дополнительно в цепь включается магазин сопротивлений.