Лабораторная работа. Определение чувствительности фотоэлемента

 

Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента и измерение его интегральной чувствительности.

 

Теоретические сведения

 

Внешний фотоэффект можно наблюдать в металлах. При освещении металла фотон поглощается электроном проводимости, при этом увеличивается кинетическая энергия электрона. Если энергия превышает работу выхода электрона, то электрон выходит из металла. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна:

 ,                                                                    (12.1)

где hv — энергия фотона; А — работа выхода электрона; — кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Это уравнение получено в предположении, что электроны в металле движутся независимо друг от друга, и поэтому изменение энергии одного электрона при поглощении фотона не приводит к изменению энергии других электронов, т. е. фотон взаимодействует только с одним электроном.

Опытным путем были установлены три закона фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т.е. максимальная длина волны l _о , при которой еще возможен фотоэффект.

Ее величина зависит от химической природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна. Электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т. е. hv ³ A . Так как

v₀ = c / l ₀ , то l ₀ = hc/A

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рисунок 12.1,а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него оставляют прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рисунке 12.1,б.

 

 

               Рисунок 12.1                                        Рисунок 12.2

При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода и в цепи возникает ток, получивший название фототока. На рисунке 12.2 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Как видно из графика, сначала фототок линейно увеличивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее количество вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении все фотоэлектроны попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения. Сила тока насыщения линейно зависит от светового потока.

Основным параметром фотоэлемента является его чувстви тельность

k = i / Ф,                                                                                                           (12.2)

где i — сила фототока насыщения; Ф — световой поток, вызвавший этот ток.

Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока. Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1 – 10 Па. Такие фотоэлементы называют газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа эмиттировавшими с катода электронами. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, полученные при ионизации газа.

Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 150 – 200 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии — для преобразования инфракрасного излучения организма в видимое.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводника. Если эта энергия hv больше ширины D W запрещенной зоны, то электрон переходит в чистом полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.

Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значение чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов, что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных устройствах, а также в фотометрической аппаратуре для измерения световых характеристик.

Особый практический интерес представляет вентильный фотоэффект (фотогальванический эффект), возникающий при освещении контакта полупроводников с р- и n- проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем: при контакте полупроводников р- и n- типа создается контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок — в n- область и электронов— в p- область. При освещении p-n-перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, т. е. образуются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля p-n-перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, в результате чего накапливаются заряды и на p - n-переходе создается добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна его интенсивности, так как она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, т. е. количеством фотонов.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается, в том, что для их работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов значительно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Она может достигать нескольких тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы изготовляют на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются для солнечных батарей, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике.

Освещенность складывается из освещенности e ₀ , , создаваемой источником света, и фоновой освещенности Е_ф:

Е = Е₀+Е_ф.                                                                              (12.3)

Интегральная чувствительность фотоэлемента находится по формуле:

k = i / Ф,                                                                                                (12.4)

Из закона фотометрии известно, что

Ф = ES,                                                                                    (12.5)

где S — площадь освещаемой поверхности.

Освещенность, создаваемая точечным источником света, равна

Е ₀ = I / R²,                                                                                 (12.6)

где I— сила света источника; R — расстояние от источника света до фотоэлемента. Подставив (12.5) и (12.6) в формулу (12.4), получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:

            (12.7)

 

Описание установки

 

Селеновый фотоэлемент (рисунок 12.3) представляет собой слой 2 селена, нанесенный на полированную железную пластинку 1. При прогревании селен переводится в кристаллическую модификацию, обладающую дырочной проводимостью. Сверху напыляется тонкая пленка 3 серебра. В результате диффузии атомов серебра внутрь селена образуется слой селена с примесью, обладающий электронной проводимостью. Таким образом создается контакт между чистым селеном и селеном с примесью, т. е. возникает p - n-переход. При освещении фотоэлемента свет легко проходит через тонкую пленку серебра. Фотоны поглощаются электронами, и возникает фотоэлектродвижущая сила. Если соединить проводником железную пластинку с пленкой серебра, то гальванометр 4, включенный в цепь, покажет силу тока, текущего от железа к верхнему электроду.

 

          Рисунок 12.3                                             Рисунок 12.4

Для определения чувствительности фотоэлемента собирают установку, изображенную на рисунке 12.4. На оптической скамье 3 установлены источник света 1 и фотоэлемент 2. В качестве источника света используют лампу накаливания с прямолинейной нитью накала. Лампа может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Угол поворота лампы измеряется транспортиром, укрепленным на подставке лампы. Фотоэлемент в футляре устанавливается на держателе, который может перемещаться вдоль оптической скамьи. На оптической скамье укреплена линейка для измерения расстояния между лампой и фотоэлементом. Сила тока, возникающего в фотоэлементе, определяется по микроамперметру 4. Освещенность Е на различных расстояниях от источника света определяют люксметром.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Определение интегральной чувствительности селенового фотоэлемента:

а) не включая лампу, измерьте люксметром фоновую освещенность E_ф, располагая датчик люксметра параллельно поверхности фотоэлемента в непосредственной близости от нее;

б) расположите лампу на скамье так, чтобы нить накала была перпендикулярна поверхности фотоэлемента (при этом источник света можно приближенно считать точечным);

в) включите лампу и измерьте люксметром освещенность Е на трех разных расстояниях R от источника света;

г) определите силу света источника для каждого случая по формуле

I = Е₀R²

где Е₀ = Е — Е_ф, и найдите <I>;

д) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 12.1;

Таблица 12.1

R, м	E,лк	I, кд	< I >,кд

е) откройте крышку футляра фотоэлемента;

ж) измерьте силу фототока i , изменяя расстояние R между фотоэлементом и лампой от 0,5 до 1,5 м через каждые 0,1 м;

з) вычислите интегральную чувствительность k фотоэлемента для каждого случая по формуле (12.7) и найдите <k>;

и) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 12.2;

Таблица 12.2

R, м	i, мкА	k, мкА/лм	< k >, мкА/лм

к) постройте график зависимости i = f (1 / R ² );

л) вычислите погрешность D k определения чувствительности фотоэлемента.

2. Исследование зависимости силы фототока от положения нити лампы накаливания:

а) установите лампу на расстоянии 0,1 м от фотоэлемента. Измерьте силу фототока, поворачивая лампу относительно вертикальной оси на углы α от 0 до 180° через каждые 20°;

б) результаты измерений занесите в табл. 12.3;

Таблица 12.3

a, град	i, мкА

 

в) постройте в полярной системе координат график зависимости силы фототока от угла поворота нити лампы i = f ( a ).

 

Контрольные вопросы

1.В чем заключаются явления внутреннего и внешнего фотоэффекта?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Опишите устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

5. Опишите устройство и принцип действия селенового фотоэлемента.

6. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?

7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента в данной работе?

 

Техника безопасности

 

1. Без разрешения преподавателя схему не включать.

2. Перед выполнением работы ознакомится с правилами обращения с приборами.

3. По окончании работы отключить приборы от сети.