Изучение внутреннего фотоэффекта

 

Цель работы: Экспериментально исследовать явление внутреннего фотоэффекта.

Приборы и принадлежности: Прибор лабораторный для изучения законов фотометрии, фотоэлементы с запирающим слоем, микроамперметр на 100мкА, лампа накаливания, соединительные провода.

Краткая теория

Внутренний фотоэффект в отличие от внешнего связан с явлением фотопроводимости полупроводников. Это явление заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням в конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) при поглощении ими световых квантов (фотонов). Поэтому в отличие от внешнего фотоэффекта, который обнаруживается и измеряется по току электронов, выходящих из исследуемой зоны наружу, внутренний фотоэффект обнаруживается обычно по изменению концентрации носителей тока внутри среды, то есть возникновению фотопроводимости или фотоЭДС. здесь также один фотон приводит к появлению одного электрона. Этот эффект, неощутимый в металлах, широко используется в полупроводниках и диэлектриках, где он может быть связан как со свойствами основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения вещества в нем совершаются переходы электронов из валентной зону проводимости. Это приводит к появлению добавочных неравновесных дырок в валентной зоне и таких же добавочных электронов в зоне проводимости. Возникает биполярная (n-p) фотопроводимость. Во втором случае в результате поглощения света на примесных центрах электроны с примесных энергетических уровней переводятся фотонами в зону проводимости, или электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. В результате возникает моно фотопроводимость. Так как импульс фотона в сравнении с импульсом электрона, выполнения закона сохранения энергии и импульса приводит к тему, что переходы электронов с участием только одного фотона оказываются возможными лишь между состояниями, в которых импульс электрона практически один и тот же. Однако этот запрет может нарушаться за счет взаимодействия электронов или дырок тепловыми колебаниями ионов кристаллической решетки вещества. Это увеличивает число переходов. Исследования зависимости внутреннего фотоэффекта от энергии фотонов позволяют по их минимальной энергии , еще вызывающей его, определить «оптическую» величину энергетических расстояний между уровнями или зонами, между которыми исследуются переходы. При достаточной интенсивности переходов за счет фотонов и взаимодействия с тепловыми колебаниями ионов решетки определяемая величина этих энергетических расстояний обычно совпадает с её значением, найденным из опытов по термическому возбуждению электронов и дырок. Поэтому величина  при собственном внутреннем фотоэффекте почти на порядок больше, чем при примесном. При достаточно большой энергии фотона дырки и электроны могут приобретать энергию, достаточную для создания новых пар «электрон-дырка». Это явление называется ударной ионизацией. Явление внутреннего фотоэффекта определяет работу таких приборов как фотосопротивления, фотоэлементы с запирающим слоем, преобразователи световой энергии в электрическую, фотодиоды и фототриоды и т.д.

В данной работе применяется селеновый фотоэлемент (рис.1). Он состоит из железной пластинки круглой формы 1, порытой слоем селена 2, на который нанесен тонкий полупрозрачный слой золота 3. От железной пластинки и пленки золота (на неё положено контактное кольцо 4) сделаны отводы к зажимам, с помощью которых фотоэлемент включают в электрическую цепь. В результате специальной обработки часть атомов золота проникает в селен, обладающий дырочной проводимостью, и образует в нем слой с электронной проводимостью.

 

Рис 1

 

На границе двух слоев с различным видом проводимости создается p-n переход.

При освещенности фотоэлемента в селене образуются свободные носители заряда, которые под действием электрического поля p-n перехода разделяются: электронные накапливаются в электронном полупроводнике, а дырки – в дырочном. В результате на зажимах фотоэлемента возникает фотоэлектродвижущая сила.

Если фотоэлемент подключить к микроамперметру и осветить, то в цепи возникает фототок. Сила фототока зависит от освещенности.

Освещенностью (Е) называется интенсивность или плотность потока световой волны. (Плотностью потока электромагнитного излучения называют электромагнитную энергию проходящую за 1 секунду через перпендикулярную лучам поверхность площадью 1м²).

 

 

 

Рис.2

 

В левой части трубы находится селеновый фотоэлемент, который соединен проводами с двумя зажимами. При помощи рукоятки 3 фотоэлемент можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 90⁰.

В нижней части откидной крыши трубы укреплена шкала 4 с делениями от 0 до 30см, причем нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента.

Труба прибора внутри имеет несколько защитных ребер и черную матовую окраску. Ребра предохраняют фотоэлемент от отраженного излучения, а черная окраска – от световых бликов.

Порядок выполнения работы

1.Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

 

Расстояние между фотоэлементом и лампой r, м	Освещенность фотоэлемента E, лк	Сила фототока I, мкА
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

 

2.Ознакомьтесь с устройством прибора.

3.Расположите фотоэлемент прибора перпендикулярно к оси прибора и соедините его зажимы с микроамперметром (рис.2).

4.Электрическую лампу присоедините к источнику тока через выключатель и реостат и установите ее внутри прибора на расстоянии 10 см от фотоэлемента.

5.Реостатом подберите такой накал нити лампы, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась на всю шкалу.

6.Снимите показание микроамперметра, помещая лампочку на разное расстояние от фотоэлемента. Заполните таблицу №1.

7. Для каждого случая рассчитайте освещенность E фотоэлемента по формуле:

 

где - сила света источника (ее приближенно принимают равной 1кд); - расстояние между лампой и фотоэлементом, выраженное в метрах. Результаты запишите в таблицу.

8.По числовым данным таблицы на миллиметровой бумаге постройте график зависимости силы фототока от освещенности. По оси абсцисс отложите освещенность в люксах, а по оси ординат - силу фототока в микроамперах.

Контрольные вопросы

1. Как устроен селеновый фотоэлемент.

2. Сущность внутреннего фотоэффекта (с запирающим слоем).

3. Разновидности внутреннего фотоэффекта.

4. Виды фотопроводимости.

5. Применение внутреннего фотоэффекта.

Лабораторная работа №23