Інтегральна чутливість фотоелемента
Вивчення явища фотоефекту.
Вивчення законів фотоефекту. Визначення інтегральної чутливості фотоелементів, перевірка закону Столєтова.
Джерело світла - лампа розжарювання; люксметр; фотоелемент з сурьмяно-цезієвим катодом (діаметр катода 3 см); вентильний фотоелемент (s = 1 мм 2); вольтметр і мікроамперметр; блок живлення - Б-5-47.
III. Питання відповіді на які необхідно знати для отримання допуску до роботи:
1. Зовнішній фотоефект. Закони фотоефекту. Рівняння Ейнштейна. Пристрій фотоелемента, що використовує зовнішній фотоефект.
2. Внутрішній фотоефект: фотопровідність і фотогальванічні ефект.
3. Чутливість фотоелемента. Можливість експериментального визначення інтегральної чутливості.
4. Основні фотометричні величини і одиниці їх виміру.
Квантова природа світла найвиразніше проявляється в явищі фотоефекту.
Зовнішній фотоефект спостерігається в металах. При висвітленні металу фотони поглинаються електронами провідності, при цьому збільшується енергія електронів. Якщо енергія окремого електрона перевищує роботу виходу з металу, то електрон залишає метал. Енергетичний баланс цієї взаємодії встановлюється рівнянням Ейнштейна:
де hn - енергія фотона, n - частота світла, А - робота виходу електрона, mv 2/2 - максимальна кінетична енергія вилетів електрона.
Навіть при монохроматичному освітленні енергія електронів, що вилітають з фотокатода, виявляється неоднаковою. Електрони в речовині мають різні енергіями, розташовуючись за рівнями дозволених зон. Під роботою виходу А розуміють енергію, необхідну для видалення електрона з самих верхніх заповнених рівнів. Енергія, яку треба затратити, щоб видалити електрон з нижчих рівнів, перевершує А. і кінетична енергія таких електронів виявляється менше. Крім того, електрони можуть втрачати частину своєї енергії на шляху до поверхні фотокатода. Рівняння Ейнштейна визначає тому кінетичну енергію не всіх, а тільки найбільш швидких електронів.
Досвідченим шляхом було установлениследующіе закони фотоефекту.
1. Число фотоелектронів, що вириваються з поверхні металу за одиницю часу, пропорційно світловому потоку, що падає на метал, при незмінному спектральному складі.
2. Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів лінійно залежить від частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для металу існує червона межа (поріг) фотоефекту, тобто максимальна довжина хвилі l0. при якій фотоефект ще можливий. Якщо довжина хвилі падаючого (поглинається) світла l> l0. то фотоефект не спостерігається. Величина l0 залежить від природи металу і стану його поверхні і визначається з рівняння Ейнштейна. Електрон зможе вийти за межі металу, якщо повідомлена йому енергія не менше роботи виходу, тобто hn ³ A. Вважаючи hn0 = А. отримуємо l0 = c / n0 = hc / A.
Зовнішній фотоефект використовується в вакуумних фотоелементах -двухелектродних приладах, в яких падає на поверхню катода енергія світла перетворюється в енергію електричного струму (рис. 1).
Внутрішня поверхня скляного балона фотоелемента покрита тонким шаром металу. Цей шар займає приблизно 50% всієї внутрішньої поверхні балона і є фотокатодом. Проти нього є прозоре вікно, через яке на катод потрапляє світло. Анод має форму рамки і розташований так, щоб не перешкоджати попаданню світла на катод. При висвітленні фотоелемента починається емісія електронів з катода - виникає
Як видно з графіка, при збільшенні анодної напруги сила струму i спочатку збільшується, так як при цьому все більше число вилетіли з катода електронів досягає анода. При певній напрузі на аноді все фотоелектрони потрапляють на анод, і при подальшому збільшенні напруги сила струму не змінюється. Величина цього струму служить мірою фотоефекту і називається струмом насичення. Встановлений на досвіді закон пропорційності струму насичення світлового потоку
носить назву закону Столєтова. Величина g = iнас / Ф є чутливістю фотоелемента.
Розрізняють інтегральну і спектральну чутливість фотоелемента.
Інтегральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на вплив світлового потоку складного випромінювання.
Спектральна чутливість визначає силу фотоструму при впливі монохроматичного світлового потоку.
Чутливість вакуумних фотоелементів досягає 100 мкА / лм.
Для збільшення сили фотоструму іноді балон фотоелемента заповнюють інертним газом при тиску 1-10 Па. Такі фотоелементи називають газонаповненими. При великому анодній напрузі в цих фотоелементах відбувається ударна іонізація атомів газу електронами, які залишають катод під дією світла. В результаті цього в створенні струму беруть участь не тільки фотоелектрони, а й електрони і іони, що виникають при іонізації газу. Чутливість газонаповнених фотоелементів досягає 150 - 200 мкА / лм.
Зовнішній фотоефект знаходить також застосування в фотоелектронних помножувачах (ФЕУ), які використовуються для вимірювання світлових потоків малої інтенсивності і в електронно-оптичних перетворювачах (ЕОП), за допомогою яких можна підсилити яскравість рентгенівського зображення або перетворити інфрачервоне випромінювання в видиме.
Користуючись рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту можна експериментально визначити найважливішу квантову постійну Планка h. Для цього в більшості випадків використовують метод затримує потенціалу, суть якого полягає в наступному: до електродів вакуумного фотоелемента підводиться зворотне (що замикає) напруга, як це показано на рис. 4.
При напрузі UЗ = 0. електрони, які покинули катод фотоелемента під дією фотонів монохроматичного світла з частотою n. досягають анода, утворюючи електричний струм, званий фотострумом. Величина фотоструму реєструється вимірювальним приладом. При збільшенні затримує потенціалу частина електронів, енергія яких невелика, не досягає анода, струм фотоелемента зменшується. При деякій величині затримує потенціалу навіть найшвидші електрони не будуть досягати анода і струм в ланцюзі буде дорівнює нулю.
і, отже, hn = eUЗ + A. або UЗ = (hn-A) / e. тобто величина затримує потенціалу UЗ залежить лінійно від частоти світла n.
Внутрішній фотоефект (фотопровідність ь) спостерігається в напівпровідниках. Енергія фотонів передається електронам напівпровідника. Якщо ця енергія hn більше ширини DW забороненої зони, то електрони переходять в чистому напівпровіднику з валентної зони в зону провідності. У домішкових напівпровідниках поглинання фотона веде до переходу електрона з донорних рівнів в зону провідності або з валентної зони на акцепторні рівні. Таким чином, при висвітленні напівпровідників збільшується їх провідність. На цьому явищі заснована дія фоторезисторов. Фоторезистори виготовляють на основі сульфіду кадмію, сірчистого свинцю і ін. Вони мають значно більшу чутливість, ніж фотоелементи з зовнішнім фотоефектом. Однак з підвищенням чутливості зростає інерційність фоторезисторов, що обмежує можливість їх використання при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти. Фоторезистори застосовуються в фотометрической апаратурі для вимірювання світлових енергетичних величин, а також в фоторелейних пристроях. Фотоелектродвіжущая сила, що виникає при освітленні контакту монохроматическим потоком світла, пропорційна величині потоку. оскільки вона визначається числом утворюються в напівпровіднику електронно-доручених пар. тобто числом фотонів в потоці. Перевага вентильних фотоелементів полягає в тому, що для їх роботи не потрібно джерело живлення, оскільки в них самих під дією світла генерується фотоЕДС. Якщо замкнути ланцюг, що містить фотоелемент, то в ній виникне струм. Інтегральна чутливість вентильних фотоелементів перевищує чутливість вакуумних фотоелементів. Вона може досягати декількох тисяч мікроампер на люмен. Вентильні фотоелементи виготовляють на основі селену, германію, кремнію, сірчистого срібла і ін. Кремнієві і деякі інші типи фотоелементів використовуються в сонячних батареях, що застосовуються на космічних кораблях для живлення бортової апаратури. Вентильні фотоелементи застосовуються також для вимірювання світлового потоку і освітленості в фотометрической практиці. Селеновий фотоелемент (рис. 7) являє собою шар 2 селену, нанесений на поліровану залізну пластинку 1. Таким чином, створюється контакт між чистим селеном і селеном з домішкою, і виникає p-n - перехід. При висвітленні фотоелемента світло легко проходить через тонку плівку срібла. Фотони поглинаються електронами, і виникає фотоЕДС. Якщо з'єднати провідником залізну пластинку з плівкою срібла, то мікроамперметр, включений в ланцюг, покаже струм, поточний від заліза до верхнього електроду. Завдання I. Вивчення вакуумного фотоелемента і визначення інтегральної чутливості. Інтегральна чутливість фотоелемента З фотометрії відомо, що де Е - освітленість, а S - площа поверхні, що освітлюється. Освітленість, створювана точковим джерелом, дорівнює де I - сила світла джерела, R - відстань від джерела до освітлюваної поверхні. Маючи на увазі ці співвідношення, отримаємо формулу для визначення інтегральной0020чувствітельності фотоелемента: 1. Не включаючи лампу, виміряти люксметром фонову освітленість Eф. помістивши датчик люксметра в гніздо для фотоелемента. Використовуваний в роботі люксметр зображений на рис. 9. У датчику люксметра встановлена насадка "КМ". При натиснутій кнопці 1 потрібно користуватися нижньої шкалою, при кнопці 2 - верхній. Межі цих шкал відповідно 300 лк і 1000 лк. 2. Включити лампу і виміряти люксметром освітленість E в гнізді фотоелемента при чотирьох відстанях R від джерела світла (20, 30, 40, 50 см). 3. Визначити силу світла джерела для кожного випадку за формулою де E0 = E-Eф. і знайти середнє . Розрахувати світловий потік Ф за формулою Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю: Побудувати графіки залежності i = f (U) для кожної відстані R від джерела світла до фотоелемента. 6. Побудувати графік залежності сили струму насичення iнас від величини світлового потоку Ф. iнас = f (Ф). Знайти з графіка g. 7. Обчислити інтегральну чутливість g фотоелемента за формулою (4) і знайти середнє 8. Обчислити похибка Dg вимірювання чутливості фотоелемента g. Завдання 2. Визначення інтегральної чутливості вентильного фотоелемента. 1. Замінити в установці вакуумний фотоелемент на вентильний. 2. Зібрати схему (рис. 11). 3. Виміряти величину фотоструму i при різних відстанях R джерела світла від фотоелемента (від 5 до 40 см через 5 см). 4. Результати вимірювань занести в таблицю.
Висвітлюючи катод фотоелемента монохроматичним світлом з частотами n1
При нагріванні селен переходить в кристалічну модифікацію, що володіє доречний p-провідністю. Зверху напилюється тонка плівка 3 срібла. В результаті дифузії атомів срібла всередину селену на кордоні утворюється шар селену з домішкою срібла, що володіє електронною n-провідністю.
Як джерело світла в установці використовується лампа розжарювання 1 (рис. 8), яка може переміщатися в непрозорому пеналі 2, що має гніздо для фотоелемента 3 і вимикач лампи 4. Відстань між ниткою напруження лампи і фотоелементом R вимірюється лінійкою 5.