Imię: Grzegorz

Nazwisko: Szcześniak

Numer indeksu: 226835

Prowadzący: dr. A. Dacko

Termin zajęć: poniedziałek 10:45-13:00

Data wykonania ćwiczenia: 21.12.2011

Ćwiczenie numer 69:

Badanie zjawiska fotoelektrycznego

i wyznaczanie stałej Plancka

Tab.1. Pomiar zależności napięcia hamującego [U_h] od natężenia fotoprądu [I_f] dla pierwszej diody

Uh	If
[V]	[μA]
0	1,93
0,05	1,77
0,1	1,61
0,15	1,44
0,2	1,27
0,25	1,11
0,3	0,95
0,35	0,8
0,4	0,66
0,45	0,54
0,5	0,42
0,55	0,33
0,6	0,25
0,65	0,19
0,7	0,13
0,75	0,1
0,8	0,06
0,85	0,04
0,9	0,02
0,95	0,01
1,0	0

Tab.2. Pomiar zależności napięcia hamującego [U_h] od natężenia fotoprądu [I_f] dla drugiej diody

Uh	If
[V]	[μA]
0	2,57
0,05	2,33
0,1	2,07
0,15	1,82
0,2	1,56
0,25	1,33
0,3	1,1
0,35	0,88
0,4	0,68
0,45	0,52
0,5	0,37
0,55	0,25
0,6	0,16
0,65	0,1
0,7	0,04
0,75	0,02
0,8	0

Tab.3. Pomiar zależności napięcia hamującego [U_h] od natężenia fotoprądu [I_f] dla trzeciej diody

Uh	If
[V]	[μA]
0	1,65
0,05	1,44
0,1	1,24
0,15	1,03
0,2	0,84
0,25	0,66
0,3	0,49
0,35	0,34
0,4	0,23
0,45	0,14
0,5	0,08
0,55	0,04
0,6	0,02
0,65	0

Tab.4. Pomiar zależności napięcia hamującego [U_h] od natężenia fotoprądu [I_f] dla czwartej diody

Uh	If
[V]	[μA]
0	0,44
0,05	0,35
0,1	0,27
0,15	0,18
0,2	0,12
0,25	0,07
0,3	0,03
0,35	0,02
0,4	0,01
0,45	0

Tab.5. Pomiar zależności napięcia hamującego [U_h] od natężenia fotoprądu [I_f] dla piątej diody

Uh	If
[V]	[μA]
0	0,33
0,05	0,23
0,1	0,16
0,15	0,09
0,2	0,05
0,25	0,02
0,3	0

Wstęp teoretyczny

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne w najogólniejszym ujęciu polega na wyzwalaniu elektronów w materii pod wpływem energii fotonów promieniowania. Opierając się na pojęciu kwantowej natury światła, Einstein (1905r.) zastosował do zjawiska fotoelektrycznego prawo zachowania energii i podał ilościową zależność między energią kwantów padającego promieniowania wywołującego fotoefekt i energią, jaką otrzymuje wyzwolony elektron. Energia pojedynczego kwantu promieniowania wynosi:

gdzie v jest częstością drgań, λ długością fali padającego promieniowania, h – uniwersalną stałą Planca wynoszącą h=6,62*10^-34.

Fotorezystor.

Fotooporem albo fotorezystorem nazywamy półprzewodnik, którego opór zmienia się pod wpływem strumienia świetlnego. Substancjami służącymi do sporządzania fotooporów są związki siarczku kadmu, bizmutu i inne, które wykazują właściwości półprzewodników.

Gdy światło pada na powierzchnię półprzewodnika i wnika w jego głąb, oczywiście na pewną, niezbyt dużą odległość, wówczas energia fotonów jest przekazywana elektronom walencyjnym, dzięki czemu odrywają się od atomów i powiększają liczbę elektronów swobodnych o pewną liczbę Δn (w 1 cm³), proporcjonalną do padającego strumienia świetlnego Φ. O tyle samo zwiększa się liczba dziur. W związku z tym daje się zauważyć zwiększenie natężenia prądu o pewien dodatkowy przyrost:

Δn - przyrost liczby swobodnych elektronów w 1 cm³;

S - poprzeczny przekrój przewodnika;

e - nabój elektronu;

v⁺, v^- - prędkości dziur i elektronów w sieci przestrzennej półprzewodnika;

w stosunku do natężenia prądu I_C płynącego w przewodniku bez naświetlania (prąd czarny). W czasie naświetlania płynie tzw. „prąd jasny” I_J = I_C + ΔI.

Fotodioda.

Fotodiodę stanowi półprzewodnikowa dioda o jednym przejściu p-n uformowana tak, że płaszczyzna kontaktu obu półprzewodników może być naświetlona strumieniem świetlnym Φ. Baza fotodiody jest warstwą dostatecznie cienką, tak aby strumień świetlny mógł wniknąć w obszar przejścia p-n. Obszar o większej koncentracji nośników to emiter, o mniejszej - baza.

Naświetlenie złącza p-n powoduje wyzwalanie w obszarach przygranicznych dodatkowych nośników. W warstewce n elektrony są odpychane od złącza dzięki różnicy potencjałów warstwy zaporowej i dołączają do nośników zasadniczych, czyli większościowych tej warstewki, do elektronów. W warstewce p dziury są odpychane od złącza. W strefie przygranicznej gromadzą się nośniki nie zasadnicze, mniejszościowe: po stronie n - dziury, po stronie p - elektrony.

Fotoogniwo - fotodioda jako samodzielne źródło prądu.

Bezpośrednie sprawdzenie informacji uzyskanych na podstawie charakterystyk zaporowych można przeprowadzić łącząc fotodiodę w obwód elektryczny. Naświetlenie strefy granicznej p-n staje się źródłem siły elektromotorycznej E_P-N, której pojawienie się jest związane ze zmniejszeniem się napięcia kontaktowego naświetlonego łącza:

U^’_K - napięcie kontaktowe naświetlonego łącza;

W obwodzie mamy dwa kontakty warstw p-n: jeden w naświetlonym łączu, drugi poprzez obwód zewnętrzny. Bardzo rozpowszechnionym typem ogniwa zaporowego jest fotoogniwo selenowe (Pb-Se). Mamy w nim żelazną płytkę podkładową, na którą naniesiona jest warstwa selenu, stanowiąca warstwę diody typu n. Górna warstewka ołowiu jest bardzo cienka, dla światła niemal przezroczysta i stanowi ona warstwę typu p.

Pojęcia.

Natężenie oświetlenia - wielkość fotometryczna, równa stosunkowi strumienia świetlnego Φ do powierzchni S prostopadłej do jego kierunku.

W przypadku nierównomiernego rozkładu strumienia świetlnego E=dΦ/dS. Jeżeli rozmiary źródła światła są niewielkie w stosunku do odległości, to: E zwane jest także oświetleniem. Jego jednostką jest luks (1 lx).

Luminacja - wielkość charakteryzująca świecenie w danym kierunku źródeł światła i oświetlonych przez nie przedmiotów. L mierzy się stosunkiem światłości dI do rzutu powierzchni świecącej dS na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku:

Światłość - wielkość doświadczalna, określona przez porównanie wrażeń wzrokowych wywołanych promieniowaniem przedmiotu i promieniowaniem wzorca. Jednostką światłości jest kandela (1 cd).

Opracowanie wyników

Tab.6. Tabela napicia hamującego od częstotliwości fali świetlenj kolejnych diod; U_h­ – napięcie hamujące, λ - częstotliwość

Dioda	Uh	Częstość λ [×10^14]
	[V]	[Hz]
Pierwsza	1,00	6,98
Druga	0,80	6.38
Trzecia	0,65	5,98
Czwarta	0,45	5,22
Piata	0,30	4,83

Prosta regresji

Mnożąc stałą a równania na prostą regresji przez ładunek elektronu otrzymamy stała Plancka:

h = 3, 18941 • 10⁻¹⁵ • •10⁻¹⁹ = •10⁻³⁴ [J • s]

Pracę wyjścia można policzyć przekształcając wzór:

$$b = \frac{\Phi}{e}\text{\ \ }\overset{\rightarrow}{}\ \Phi = b \bullet e$$

gdzie b jest stałą w równaniu prostej regresji, a e – wartością ładunku elektronu

Φ = 1, 23474 • 1, 6021892 • 10⁻¹⁹ = •10⁻¹⁹ [J] = 1, 23439 [eV]

Wnioski

Stała Placka została wyznaczona dosyć dokładnie lecz ze względu na jej niski rząd, podobnie jak przy stałej grawitacyjnej, ciężko jest ustalić ją w warunkach pracowni, głównych powodem błędów pomiarowych może być niedokładność urządzeń jak i studenta.