Please download to get full document.

View again

of 20
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

Category:

Study Guides, Notes, & Quizzes

Publish on:

Views: 0 | Pages: 20

Extension: PDF | Download: 0

Share
Related documents
Description
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Учреждение образования «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» Кафедра
Transcript
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ Учреждение образования «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» Кафедра физики С. И. Козлов ФИЗИКА ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов инженерных и биологических специальностей очной и заочной форм обучения Горки БГСХА 2015 УДК (072) Рекомендовано методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства. Протокол 6 от 25 февраля 2014 г. Автор: кандидат технических наук, доцент С. И. Козлов Рецензент: кандидат технических наук, доцент О. В. Понталев Физика. Исследование фотоэлемента : методические указания по выполнению лабораторной работы / С. И. Козлов. Горки : БГСХА, с. Приведены указания по изучению теоретического материала, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы, методика обработки опытных данных и список рекомендуемой литературы. Для студентов инженерных и биологических специальностей очной и заочной форм обучения. УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», 2015 ВВЕДЕНИЕ Оптикой называется раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникновением, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн. В геометрической (лучевой) оптике рассматриваются законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей линий, вдоль которых распространяется энергия световых электромагнитных волн. В геометрической оптике не учитываются волновые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Выполнение лабораторных работ по оптике способствует развитию у студентов навыков самостоятельной работы и помогает лучшему усвоению теоретического курса. В процессе выполнения лабораторной работы студент углубляет и закрепляет теоретические знания по физике, знакомится с простейшими методами научных исследований в области физики и с физическими методами исследования, которые применяются в биологических и технических дисциплинах, овладевает методами математической обработки результатов физического эксперимента. Лабораторные работы позволяют проверить научно-теоретические положения отдельных явлений, законов, способствуют более глубокому их пониманию, развивают наблюдательность, внимание, память, прививают навыки в проведении измерений, учат пользоваться измерительными приборами, знакомят с оборудованием, аппаратурой, с техникой физического эксперимента. Подготовка теоретического материала для данной работы, т. е. исследование фотоэлемента, и окончательная обработка полученных данных может выполняться студентом вне лабораторного времени. Цель работы: изучить законы фотоэффекта; ознакомиться с явлением фотоэлектронной эмиссии и фотоэлектрическими приборами; определить интегральную чувствительность селенового фотоэлемента, снять спектральную характеристику исследуемого фотоэлемента; обработать опытные данные и на их основании сделать выводы. Приборы и принадлежности: фотоэлемент, чувствительный гальванометр с зеркальной шкалой или микроамперметр, лампочка накаливания, оптическая скамья, набор светофильтров, линейка. 3 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. С а в е л ь е в, И. В. Курс физики / И. В. Савельев. М.: Наука, Т с. 2. Г р а б о в с к и й, Р. И. Курс физики: учеб. пособие / Р. И. Грабовский. СПб.: Лань, с. 3. Т р о ф и м о в а, Т. И. Краткий курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. М.: Высш. шк., с. 4. Д е т л а ф, А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. М.: Высш. шк., с. 5. К а л и т у х а, П. Д. Лабораторные задания по оптике / П. Д. Калитуха. Горки: БСХА, с. 1. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ 1.1. Фотоэффект Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. Внешний фотоэффект вырывание фотоэлектронов из твердых или жидких тел обычно наблюдается при освещении щелочных металлов, например, калия, цезия, натрия и др. Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и диэлектриках. Они проходят через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводники) или в жидкость (электролиты). У чистых полупроводников внутренний фотоэффект возникает в том случае, если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны (h W 3 ). При уменьшении частоты излучения наступает порог фотоэффекта ( = W 3 / h). Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках (фоторезистор), в неоднородных полупроводниках (фотодиод в режиме фотопреобразователя) или создания э.д.с. в неоднородных полупроводниках (фотодиод в режиме фотогенератора). Внешний фотоэффект был впервые исследован в гг. русским ученым, профессором Московского университета А. Г. Столетовым. В металлах лучистая энергия оптического диапазона воздействует только на свободные электроны, их концентрация при освещении металла не изменяется, поэтому внутренний фотоэффект в них проявляется гораздо слабее, чем в полупроводниках. Схема опыта Столетова приведена на рис. 1. Электрическая цепь, состоящая из батареи Б, гальванометра Г, цинковой пластины К и медной сетки А, замыкалась слоем воздуха, находящимся между сеткой и пластиной. 4 А К Б Г Рис. 1. Схема опыта Столетова При естественной ионизации воздуха ток в цепи был очень малым. При освещении цинковой пластины электрической дугой ток резко возрастал. Это явление наблюдалось только при отрицательном заряде пластины и при освещении ее ультрафиолетовыми лучами. На основании проведенных измерений Столетов установил следующие закономерности фотоэффекта: а) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды; б) явление вызывается преимущественно ультрафиолетовыми лучами. А. Г. Столетов опытным путем установил следующие основные законы фотоэффекта: 1) максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности; 2) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота v 0 света, при которой еще возможен внешний фотоэффект; величина v 0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности; 3) число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света. Последний закон означает прямую пропорциональность между силой фототока i и световым потоком Ф, падающим на поверхность вещества: i = kф. (1) Свет одновременно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. По квантовой (корпускулярной) теории световой поток можно 5 рассматривать как поток частиц-квантов, обладающих определенной порцией энергии. Световые кванты называются также фотонами. Энергия кванта выражается формулой = h, (2) где энергия кванта; h постоянная Планка, равная 6, Дж с; v частота света. Основываясь на квантовой природе света, Эйнштейн применил к фотоэффекту закон сохранения энергии и составил уравнение, которое устанавливает связь между энергией кванта света h, возбуждающего фотоэффект, работой, которая расходуется на выход электрона из металла А, и кинетической энергией вылетающего электрона. 2 mv 2 Это уравнение имеет следующий вид: hv = А + 2 mv. (3) 2 Из уравнения Эйнштейна видно, что скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности. Согласно формуле (3) с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, так как работа выхода постоянна для данного освещаемого вещества. При некоторой достаточно малой частоте v = v 0 или длине волны c 0 кинетическая энергия v 0 mv 2 2 фотоэлектрона станет равной нулю и фотоэффект прекратится. Это будет иметь место при hv 0 = A, т. е. когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда A hc v 0 или 0 h A. (4) 6 Формулы (4) определяют красную границу (порог фотоэффекта). Из этих формул следует, что красная граница зависит от величины работы выхода, т. е. от материала фотокатода. Длину волны 0, соответствующую частоте 0, называют границей фотоэффекта. Например, для германия ( W = 0,67 эв) граница фотоэффекта лежит в инфракрасной области ( = 1,7 мкм) Фотоэлектрические приборы Фотоэлектрическим прибором называется преобразователь лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, находящегося в этом приборе. Под лучистой понимают энергию электромагнитного излучения широкого диапазона частот, к которому относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра (видимое излучение лежит в диапазоне длин волн 0,38...0,7 мкм). Лучистая энергия излучается и поглощается веществом в виде квантов (фотонов) величиной h, где h = 6, Дж с постоянная Планка, частота излучения. Работа фотоэлектрических приборов основана на явлении фотоэффекта внутреннего или внешнего. Приборы, в основе устройства которых лежит явление фотоэффекта, называются фотоэлементами. Фотоэлементы очень разнообразны по своей конструкции и типу. Они находят широкое применение в разных областях техники: телемеханике (управление работой машин на расстоянии), звуковом кино, установках для передачи изображений по проводам, во многих измерительных приборах. Фотоэффект используется в науке и технике для преобразования световой энергии в электрическую. Различают фотоэлементы с внешним фотоэффектом (вакуумные и газонаполненные) и фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте Фоторезисторы Фоторезистором называется полупроводниковый прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости. Впервые это явление было обнаружено у селена У. Смитом в 1673 г. 7 В фоторезисторах используются полупроводники, обладающие наиболее высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриды таких металлов, как кадмий, висмут, свинец и таллий, некоторые окислы, интерметаллические соединения, а также селен, германий и кремний. Фоторезистор (рис. 2) представляет собой пластинку или пленку полупроводникового материала 2, которая закреплена на подложке 1 из стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. В качестве электродов 3 используют металлы, не подвергающиеся коррозии (золото, платина) и обеспечивающие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака. а б в Рис. 2. Схематическое изображение (а), устройство (б) и вольтамперные характеристики (в) фоторезистора Если к неосвещенному фоторезистору (рис. 2, в) подключить источник питания, то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым. Он обусловлен наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда. При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называется световым током, или фототоком. Он зависит от интенсивности освещения, значения приложенного напряжения, а также от вида и размеров полупроводника, используемого в фоторезисторе. На значение фототока влияет также спектральный состав светового потока. 8 Вольтамперные характеристики (зависимость I ф = f(u) фототока от напряжения) большинства фоторезисторов линейны, однако в некоторых случаях при повышении напряжения линейность нарушается. Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, которая обусловлена временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Время установления постоянного значения фотопроводимости называется временем фотоответа фоторезистора, которое определяет частотный диапазон его работы Фотодиоды Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, имеющий один электроннодырочный переход и два вывода. Фотодиод может работать в одном из двух режимов: без внешнего источника питания (режим фотогенератора); с внешним источником питания (режим фотопреобразователя). Фотодиоды изготовляют из германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида галлия, индия, сульфида калия и других полупроводниковых материалов. В режиме фотогенератора используется фотогальванический эффект разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фото-э.д.с.) при освещении неоднородного полупроводника. В этом случае фотодиод представляет собой фотоа б Рис. 3. Схематическое изображение (а), устройство (б) и характеристики (в) светодиода: Ф световой поток; I ток короткого замыкания; R сопротивление 9 в гальванический элемент, преобразующий лучистую энергию в электрическую. Фотодиоды (рис. 3, а), как и обычные полупроводниковые диоды, состоят из двух примесных полупроводников с различными типами электропроводности, на границе между которыми образуется р-n-переход. При отсутствии освещения и внешнего источника питания в области р-n-перехода, как и в любом полупроводниковом диоде, возникает потенциальный барьер. В области n возникает положительный объемный заряд, а в области p отрицательный. Объемные заряды различных знаков появляются в результате диффузионного проникновения электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, что обусловлено тепловым воздействием окружающей среды. Высота потенциального барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях увеличивается число пар свободных носителей заряда дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов и возникающего электрического поля p-n-перехода неосновные носители заряда n-области дырки переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области электроны в n-область. Таким образом, в n-области появляется избыточное число электронов, а в p-области избыточное число дырок, что приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-э.д.с. Предельно возможное значение фото-э.д.с. составляет десятые доли вольта. Например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-э.д.с. достигает 0,5...0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия 0,87 В. Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор, то в электрической цепи появится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Его значение зависит от фото-э.д.с. и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при коротком замыкании фотодиода (сопротивление резистора равно нулю). При этом энергетические характеристики I ф = = f(ф) фототока почти линейны, фототок практически пропорционален потоку излучения (рис. 3, в). При сопротивлении резистора, не равном 10 нулю, ток в цепи существенно снижается, энергетические характеристики становятся нелинейными, причем наклон их уменьшается с ростом сопротивления. При больших световых потоках наступает насыщение и рост фотоэ.д.с. прекращается. Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, которые широко используются в качестве источников питания как на космических аппаратах, так и в наземных устройствах. В последнем случае их коэффициент полезного действия невысок. Теоретически максимально допустимый КПД солнечных элементов составляет около 30 %. Важным техническим параметром солнечных элементов является отношение их выходной мощности к массе, которое достигает 200 Вт/кг. Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как и у обычного полупроводникового диода. При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших значениях напряжения практически совпадают. Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении. При этом фотодиод подключают к источнику питания так, чтобы полярность источника не совпадала с полярностью основных носителей заряда областей n и p Фотореле Фотореле находят широкое применение в системах автоматического управления и контроля. Они используются в системах автоматического управления наружным освещением, счетных устройствах, системах автоматической остановки лифтов на заданных уровнях и в других устройствах. Фотореле (рис. 4) имеет источник света, фотодиод VD, транзистор VT, реле напряжения KV. Фотодиод VD и резистор R б представляют собой делитель напряжения, обеспечивающий подачу напряжения на эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Сопротивление фотодиода зависит от светового потока, а сопротивление резистора R б постоянное. 11 При отсутствии светового потока сопротивление фотодиода большое и протекающий через него ток незначителен. Падение напряжения на R б и эмиттерном переходе транзистора очень мало, реле напряжения не срабатывает. KV VD R б VT KV:1 HL I ф I э Рис. 4. Принципиальная электрическая схема фотореле При подаче светового потока на фотодиод его сопротивление значительно уменьшается. Это приводит к увеличению фототока, падению напряжения на R б и повышению напряжения на эмиттерном переходе. В результате значительно возрастает ток транзистора до значения, необходимого для срабатывания реле напряжения KV. Своими замыкающими контактами KV:1 реле запитывает сигнальную лампу НL Фотоэлектронная эмиссия Явление фотоэлектронной эмиссии объясняет внешний фотоэффект выход электронов за пределы поверхности вещества под действием электромагнитного излучения и используется в электровакуумных фотоэлементах. Электроны вещества, поглощающего излучение, могут получить дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе между веществом и окружающей средой. Энергия, необходимая для преодоления сил, удерживающих электроны в веществе, характеризуется работой выхода А вых, значение которой для многих материалов составляет единицы электронвольт. Оптическому диапазону соответствует энергия фотонов от сотых долей электронвольта до эв. Таким образом, световой поток может вызывать эмиссию электронов из различных материалов при определенной энергии фотонов, которая зависит от частоты излучения. 12 + Условия возникновения фотоэлектронной эмиссии определяются законом Эйнштейна, который устанавливает связь между энергией фотона и энергией эмитированного электрона. Аналитическое выражение закона Эйнштейна имеет следующий вид: h = A вых + (mv 2 ) / 2, (5) где m масса электрона; v скорость эмитированного электрона. Из уравнения следует, что часть энергии фотона A вых расходуется на работу выхода электрона, а оставшейся частью энергии будет обладать эмитированный электрон. Таким образом, кинетическая энергия эмитированного электрона пропорциональна частоте излучения и не зависит от светового потока. Если энергия фотона, переданная электрону, окажется равной работе выхода, то соответствующая частота излучения называется порогом внешнего фотоэффекта и обозначается 0. При частоте излучения, меньшей 0, фотоэлектронная эмиссия отсутствует. Длину волны, соответствующую 0, называют красной границей внешнего фотоэффекта, так как для многих материалов она лежит в области длинных волн видимой части спектра излучения. Фотоэлектронную эмиссию характеризует также закон Столетова, согласно которому поток электронов, эмитируемых в единицу времени веществом под действием светового излучения, пропорционален световому потоку. Закон Столетова справедлив при условии, что спектральный состав светового потока с изменением его значения остается неизменным. Явление фотоэлектронной эмиссии используется в электровакуумных фотоэлементах, представляющих собой электровакуумные приборы с фотоэлектронным катодом. В зависимости от степени разрежения и состава газа электровакуумные фотоэлементы подразделяются на электронны
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks