Исследование фотоэлементов

Цель работы: снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, фотосопротивление, вольтметр, миллиамперметр, выпрямитель, источник света.

Сведения из теории

Действие фотоэлементов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлами под действием света. Для внешнего фотоэффекта характерны следующие закономерности.

1. Число электронов, испускаемых веществом в единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света.

2. Начальная скорость вылетевших электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. С увеличением частоты падающего света скорость электронов увеличивается.

3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света ₀, при которой еще имеет место фотоэффект. Величина ₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. между началом освещения и возникновения фотоэффекта нет заметного промежутка времени.

Закономерности фотоэффекта не укладываются в рамки классической электромагнитной теории света.

Эйнштейн показал, что все основные закономерности фотоэлектрического эффекта непосредственно объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. В самом деле, при вырывании электрона из металла энергия кванта света идет на работу выхода А электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии

Так как порция световой энергии, поглощенной электроном при его вырывании, равна h, то по закону сохранения энергии

.

Это равенство называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из этого уравнения следует, что минимальная порция энергии, необходимая для вырывания, должна быть равна работе выхода А. Следовательно, частота ₀, соответствующая красной границе фотоэффекта, ₀ = A / h.

Внутренним фотоэффектом называется появление под действием света внутри диэлектрика или полупроводника добавочных свободных электронов.

Поглощая фотоны, связанные электроны вещества получают энергию, но не вылетают за пределы вещества, а становятся свободными, оставаясь внутри вещества и увеличивая его проводимость (явление фотопроводимости).

Механизм внутреннего фотоэффекта вскрывается зонной теорией твердых тел, согласно которой электроны, поглощая кванты света, переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Законы внутреннего фотоэффекта эквивалентны законам внешнего фотоэффекта.

На основании внешнего и внутреннего фотоэффектов строится большое число приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, играющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис. 9.1). При освещении фото­эле­мента из катода вылетают электроны и под действием электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.

Рис. 9.1

Газонаполненный фото­эле­мент содержит какой-либо инертный газ под небольшим давлением. Первичные фотоэлектроны иони­зируют атомы газа, что приводит к увеличению тока, проходящего через элемент.