Marcin Kwoka Rzeszów 1996.02.27

I ED rok 1995/96

gr. Laboratoryjna nr 3.

ĆWICZENIE 40

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

W normalnych warunkach elektron nie może opuścić metalu. Musi on pokonać potencjał jonizacyjny. Energię potrzebną do pokonania tego potencjału otrzymać musi z zewnątrz w postaci np.: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, energii świetlnej. Zjawisko to nosi nazwę fotoelektrycznego i dzielimy je na zewnętrzne i wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia.

W wyniku długotrwałych badań ustalono następujące prawidłowości rządzące tym zjawiskiem:

1. Elektrony pojawiają się natychmiast po oświetleniu metalu (po czasie 3 10^-9s)

2. Gęstość prądu fotoelektrycznego , czyli ilość emitowanych fotoelektronów

jest proporcjonalna do oświetlenia.

3. Energia fotoelektronów nie zależy od natężenia światła.

4. Energia najszybszych fotoelektronów jest proporcjonalna do częstości 

drgań fali świetlnej.

Prawa powyższe wyjaśnił A. Einstein w oparciu o kolpuskularną teorię światła. Według tej teorii światło składa się z drobnych cząstek zwanych kwantami, o energii h , gdzie h jest stałą Plancka równą 6,662 10^-34 Js. Kwant światła padając na metal oddaje swą energię tylko jednemu elektronowi, dzięki czemu elektron ten może pokonać barierę potencjału  oddzielającą go od otoczenia. Nadmiar energii elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej (nabywa prędkości). Tak więc równanie Einsteina przyjmuje postać:

m²

h    

2

Dodać należy, że zjawiska fotoelektrycznego nie można wyjaśnić w oparciu o falową teorią światła. Zgodnie z teorią falową równanie fali wyraża się wzorem:

x

 (t,x  A sin 2  ( t -  

c

Energia kinetyczna fali świetlnej jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, z jaką zachodzą drgania; można również udowodnić, że jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy i częstości. Zatem jeżeli w zjawisku fotoelektrycznym światło zachowywałoby się jak fala, prędkości najszybszych elektronów powinny być proporcjonalne do kwadratu amplitudy, czyli natężenia światła, a także do kwadratu częstości, co przeczy prawidłowości [2]. Z równania Einsteina wynika że istnieje pewna progowa częstość _p , dla której energia kwantu h_p jest równa pracy wyjścia   Dla częstości niższych od _p zjawiska fotoelektrycznego nie obserwujemy. Dla większości metali _p leży powyżej granicy światła widzialnego, w nadfiolecie. W świetle widzialnym zjawisko fotoelektryczne występuje tylko w metalach alkalicznych.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na zmianie właściwości przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem energii promieniowania świetlnego. Kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Zjawisko to wystąpi tylko dla częstotliwości granicznej _g , dla której energia kwantu jest równa szerokości pasma wzbronionego  Zjawisko to można wyjaśnić pomijając teorię pasmową. Kwanty światła padając na półprzewodnik np. german zrywają wiązania atomowe łącząca atomy i uwalniają elektrony tworzące to wiązanie. Uwolniony elektron może poruszać się swobodnie w krysztale. Miejsce po tym elektronie może zająć elektron z wiązania sąsiedniego. Zatem zarówno fotoelektrony jak i dziury mogą poruszać się w ciele, a tym samym przewodzić prąd. Może jednak występować tutaj proces rekombinacji. Ilość rekombinacji jest zależna od ilości nośników i w miarę jak w czasie oświetlania wzrasta ilość nośników, wzrasta też ilość rekombinacji. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi tylko w cienkiej warstwie powierzchniowej, w której padające światło nie zostało jeszcze całkowicie zaabsorbowane. Celem zwiększenia efektu należy do maksimum zwiększyć powierzchnię próbki, nadając jej kształt cienkiej blaszki. Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od ilości nośników, opór próbki oświetlonej jest mniejszy od oporu próbki nieoświetlonej.

Schemat pomiarowy.

Tabela pomiarowa.

Lp.	U	r	I	U	I	r

Wnioski:

Wykres zależność natężenia prądu od odległości źródła światła od fotooporu jest zbliżony do wykresu funkcji y=const/x² , stąd też można powiedzieć, że wielkość prądu fotoelektrycznego jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od źródła światła. Pewne odchylenia otrzymanego wykresu od krzywej teoretycznej mogą być spowodowane błędami pomiaru odległości lub też małą czułością mierników, których klasa dokładności wynosiła 0.5 . Na błędy pomiaru mogło mieć też wpływ niedokładne oświetlanie fotooporu w miarę oddalania go od źródła światła.

---