Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

гих соединений. Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет по-

лучить свечение различного цвета.

Помимо светодиодов, дающих видимое свечение, выпускаются светодио-

ды инфракрасного (ИК) излучения, изготовляемые преимущественно из арсе-

нида галлия GaAs. Они применяются в фотореле и различных датчиках.

Инжекционный полупроводниковый лазер представляет собой полупро-

водниковый диод, две плоскопараллель-

ные грани которого служат зеркалами

оптического резонатора. Этим лазерный

диод отличается от светодиода. Излуче-

ние лазерного диода когерентно.

Рис. 2 Спектр излучения светодиода

Спектр излучения представляют

либо в виде горизонтальной цветовой

полосы, либо в виде таблицы, либо в ви-

де графика зависимости интенсивности

от длины волны. Светодиоды и лазерные

диоды характеризуют шириной спектра

излучения.

Ширина спектра излучения – это величина, определяющая степень моно-

хроматичности излучения квантовых систем.

Обычно под шириной спектральной линии

подразумевают расстояние между точками ее

контура (на графике – λ

и λ

), соответст-

вующими интенсивности, равной половине

максимальной. Эту величину иногда называ-

ют «полушириной линии». По значению по-

луширины линии можно оценить погреш-

ность определения ширины запрещенной зо-

ны:

Рис.3 Спектр излучения лазера

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

=ΔΔ

. (2)

Светодиоды имеют ширину спектра в интервале от 10 до 50 нм, лазерные

диоды – от 0,1 до 10 нм. Примеры спектров приведены на рис. 2 и рис. 3.

Описание установки

Установка состоит из монохроматора МУМ-1, блока питания для лазера и

светодиодов, блока измерения интенсивности фотоэмиссии, состоящего из фо-

торезистора, размещенного на выходной щели монохроматора и микроапер-

метра с вмонтированной измерительной схемой, размещённого на верхней час-

ти корпуса монохроматора. Микроамперметр регистрирует фототок, который

пропорционален интенсивности спектральной линии.

Монохроматор универсальный малогабаритный (МУМ) предназначен для

выделения монохроматического излучения, исследования источников света,

321

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

приемников излучения, решения аналитических задач и других работ в области

спектра 200…800 нм. Рабочий диапазон длин волн от 200 до 800 нм. Погреш-

ность показаний счетчика длин волн ± 0,2 нм.

Монохроматор имеет самофокусирующую вогнутую отражательную

штриховую дифракционную решётку с переменным шагом, которая разлагает

падающее на неё из входной щели излучение в спектр первого порядка и фоку-

сирует изображение входной щели на выбранной длине волны на плоскость

выходной щели монохроматора, где оно засвечивает фоторезистор. Выбор дли-

ны волны осуществляется поворотом дифракционной решётки по отношению к

направлению на входную щель, который производится ручкой управления,

расположенной на передней панели прибора. Отсчёт длины волны ведётся в

нанометрах с точностью до 0,2 нм.

Блок питания лазера и светодиодов включается на 220 В.

Внимание! Направлять луч в глаза или сканировать им по лаборатории

категорически запрещается, т.к. возможны ожоги сетчатки глаза.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Каким приборы Вы будете использовать при выполнении работы?

Какие графики нужно построить по результатам работы? Схематично нари-

суйте ожидаемый вид графиков.

Запишите формулу, по которой рассчитывается ширина запрещенной зоны.

Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Задание 1.

Определение ширины запрещенной зоны полупроводника

1. Включить установку в сеть.

2. Вставить лазер в тубус коллиматора до упора.

3. Вставить шнур питания лазера в правое гнездо блока питания.

4. Поворотом ручки управления на передней панели установки выставить дли-

ну волны излучения λ=650 нм.

5. Вращая ручку управления, найти длину волны, при которой показания мик-

роамперметра максимальны. Если максимальное отклонение стрелки нахо-

дится в первой половине шкалы, то дополнительную регулировку произве-

сти поворотом лазера в тубусе вокруг горизонтальной оси. Закрепить лазер

винтом, расположенным на тубусе.

6. Записать найденное значение длины волны λ

7. Снять зависимость интенсивности излучения (силы тока) от длины волны,

изменяя длину в интервале от (λ

−3) нм до (λ

+3) нм с шагом 0,2 нм.

8. Отключить шнур питания лазера. Ослабить винт, вынуть лазер из тубуса.

Задание 2.

Определение ширины запрещенной зоны светодиодов

1. Вставить красный светодиод в тубус до упора. Закрепить винт.

322

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

2. Включить шнур питания светодиода в левый разъем блока питания.

3. Снять зависимость интенсивности излучения (силы тока) от длины волны, в

интервале от 610 до 650 нм с шагом 2 нм.

4. Отключить шнур питания светодиода. Ослабить винт, вынуть светодиод из

тубуса.

5. Выполнить измерения для зеленого светодиода согласно пп. 1-4 в интервале

от 490 до 560 нм с шагом 2 нм.

Оформление отчета

1. Расчеты

Задание 1

1. Построить профиль эмиссионной линии излучения, который представляет

собой зависимость силы тока от длины волны

i=f(λ).

2. По графику определить значение длины волны λ

, при которой интенсив-

ность излучения максимальна.

3. Рассчитать ширину запрещенной зоны полупроводника по формуле (1).

4. Определить ширину эмиссионной линии на уровне половины ее макси-

мальной интенсивности (см. рис. 3): Δλ=λ

−λ

5. Рассчитать абсолютную погрешность определения ширины запрещенной

зоны по формуле (2).

6. Рассчитать относительную погрешность измерений. Результат записать в

стандартном виде.

Задание 2

1. Построить профиль эмиссионной линии излучения:

i=f(λ) для обоих диодов.

2. По графику определить значение длины волны λ

, при которой интенсив-

ность излучения максимальна.

3. Рассчитать ширину запрещенной зоны светодиодов по формуле (1).

4. Определить ширину эмиссионной линии на уровне половины ее максималь-

ной интенсивности (см. рис. 2): Δλ=λ

−λ

для обоих диодов.

5. Рассчитать абсолютную погрешность определения ширины запрещенной зо-

ны по формуле (2).

6. Рассчитать относительную погрешность измерений. Результаты записать в

стандартном виде.

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Каково назначение монохроматора?

2. Что называется светодиодом?

3. Что называется шириной запрещенной зоны?

4. Что называется шириной спектра излучения? Что она характеризует?

5. Сравните полученные экспериментально графики с ожидаемым результатом.

Сделайте вывод.

6. Сравните ширину эмиссионной линии лазерного диода и светодиодов. Сде-

лайте вывод.

323

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №107

Выполнил(а)_____________________ Группа_______________

Упражнение 1 Упражнение 2 №

п/п

Лазер

Красный светодиод

Зеленый светодиод

λ, нм

i, мкА

λ, нм

i, мкА

λ, нм

i, мкА

Дата________ Подпись преподавателя___________________

324

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

Лабораторная работа 108

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

(внутренний фотоэффект)

Цель работы – снять вольт-амперные и люкс-амперные характеристики

фоторезистора, определить его удельную чувствительность.

Приборы и принадлежности: фоторезистор, микроамперметр, источник

тока (выпрямитель), вольтметр, реостат, люксметр, источник света.

Общие положения

Внутренним фотоэффектом называется явление перераспределения элек-

тронов по энергетическим уровням под действием света. Если энергия кванта

hν превышает ширину запрещенной зоны: hν≥∆Е (рис. 1), то электрон, погло-

тивший квант переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В результате появляется дополнительная пара но-

сителей тока – электрон и дырка, что проявляется в уве-

личении электропроводности вещества. Добавочную

электропроводность полупроводника, обусловленную

падающим светом, называют фотопроводимостью.

Фотосопротивление (фоторезистор) – двухэлек-

тродный полупроводниковый фотоэлемент, который из-

меняет свою электропроводность в зависимости от ин-

тенсивности и спектрального состава падающего света.

Принцип устройства фоторезистора показан на

рис. 2. На диэлектрическую пластину 1 наносится тон-

кий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. За-

тем полупроводник помещают в защитный корпус, кото-

рый оборудован «окном» для проникновения света. В качестве полупроводнико-

вых материалов используют Se, Te, Ge, WiS, PbS, PbSe

и т. д., в зависимости от спектрального состава излуче-

ния, направляемого на фоторезистор. Так, например,

фоторезистор из сернистого чугуна чувствителен к ин-

фракрасному излучению, из сернистого висмута – к

лучам на границе между видимым и инфракрасным из-

лучением,

Рисунок 1

сернистого кадмия –

нию.

освещении и темновым током составляет фототок

Рисунок 2

к видимому излуче-

При включении фоторезистора в цепь, содержащую источник тока, при от-

сутствии освещения в цепи ротекает ток. Этот ток называют темновым током

. Под действием излучения с достаточной энергией фотонов в фоторезисторе

происходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок).

Сопротивление уменьшается, ток в цепи значительно возрастает. Разность между

током при

тф

III

−

. (1)

325

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

Фоторезисторы характеризуют темновым сопротивлением R

и удельной

чувствительностью

К.

Темновое сопротивление

– сопротивление фоторезистора при отсутст-

вии облучения. Оно составляет величину порядка 10

– 10

Ом.

Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению

величины падающего на фоторезистор светового потока Ф на прилагаемое на-

пряжение

. (2)

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч мик-

роампер на вольт-люмен.

Световой поток вычисляется по формуле:

, (3)

где Е – освещенность, S – площадь поверхности фоторезистора.

Кроме темнового сопротивления и удельной чувствительности к пара-

метрам фоторезисторов относят также максимально допустимое рабочее на-

пряжение (до 600 В).

Фоторезисторы имеют линейную

вольт-амперную (рис. 3а) и нелинейную

люкс-амперную характеристики (рис. 3б).

Вольт-амперная характеристика – зависи-

мость фототока от приложенного напря-

жения – снимается при неизменном све-

товом потоке. Люкс-амперная – зависи-

мость фототока от светового потока – при

неизменном напряжении.

const

б)

а)

Рисунок 3

Значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная

для полупроводников, является недостатком фоторезисторов. Существенным

недостатком также считается их большая инерционность, которая объясняется

довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекра-

щения облучения. Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в раз-

личных схемах автоматики. Фоторезисторы применяют как детекторы излуче-

ния в системах автоматического регулирования, фототелеграфии, в фотоэлек-

трических пирометрах, а также в схемах измерения прозрачности жидкости и га-

за (дымномеры, колориметры), для измерения качества поверхности (шерохова-

тости, блеклости), контроля размеров деталей, линейных размеров и т.д.

Подготовка к работе

(

ответы представить в письменном виде)

1. Какова цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Какие графики надо построить по результатам работы? Схематично нари-

суйте ожидаемый вид зависимостей.

4. Запишите формулу, по которой рассчитывается световой поток. Поясните

смысл обозначений.

326

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

Выполнение работы

Задание 1.

Получение вольт-амперных характеристик фоторезистора

1. Электрическая цепь собрана по схеме, приведенной на рис. 4.

2. Записать значение площади поверхности фоторезистора, указанное на уста-

новке.

P 1

P 2

R ф

Рисунок 4

3. Установить лампу на расстоянии 20 − 30 см от фоторезистора. Миллиампер-

метр установить на минимальный предел. Определить цену деления милли-

амперметра и вольтметра.

4. При закрытой шторке фоторезистора измерить значение темнового тока

для различных напряжений (интервал и предел напряжения указаны на уста-

новке).

5. Рассчитать темновое сопротивление

тт

IUR

6. Люксметром измерить освещенность, создаваемую лампой.

7. Увеличить предел измерения миллиамперметра (по указанию преподавате-

ля). Определить цену деления миллиамперметра.

8. Поднять шторку и снять вольт-амперную характеристику, т.е. измерить зна-

чения тока

I и напряжения U (не менее 5 точек), изменяя напряжение от нуля

до

max

(указано на установке).

9. Повторить измерения согласно п. 5-6, уменьшив расстояние между лампой и

фотосопротивлением примерно в 2 раза.

Задание 2.

Получение люкс-амперных характеристик фоторезистора

1. Установить лампу на расстоянии 10 − 15 см от фоторезистора.

2. Установить напряжение U

max

снять люкс-амперную характеристику фото-

резистора (не менее 5 точек), т.е. зависимость фототока

от падающего све-

тового потока Ф. Для изменения светового потока надо менять расстояние

между фоторезистором и лампой на одну и ту же величину, передвигая лам-

пу. Для каждого положения лампы измерять освещенность фоторезистора.

327

Описания лабораторных работ Физика твердого тела

3. Установить напряжение U~0,7U

max

и снять люкс-амперную характеристику

еще раз согласно пункту 2.

Оформление отчета

1. Расчеты

Задание 1

1. Рассчитать фототок по формуле (1).

2. Вычислить световой поток по формуле (3) для обоих случаев.

3. По полученным данным построить вольт-амперные характеристики

()

UfI =

Задание 2

1. Рассчитать световой поток по формуле (3).

2. Рассчитать фототок по формуле (1).

3. Построить люкс-амперные характеристики

(

)

4. Вычислить удельную чувствительность при двух значениях напряжения

(

max

и U~0,7U

max

) для одинакового светового потока по формуле (2).

2. Защита работы

(

ответы представить в письменном виде)

1. Какое явление изучалось в данной работе? В чем оно заключается?

2. Что называется фоторезистором? Опишите его устройство.

3. Что такое фотопроводимость?

4. Где применяются фоторезисторы?

5. Сравните графики, полученные экспериментально с теоретическими зави-

симостями. Сделайте вывод.

328

Физика твердого тела Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 108

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Площадь поверхности фоторезистора

S = _____________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле прибора

Цена деления

с указанием

единицы изме-

рения

1 Вольтметр

2 Миллиамперметр

3 Миллиамперметр

Упражнение 1

Е Е

=_____________

=______________

U, R№ ,

, ,

U, I, U, I,

п/п В Ом

мкА

В мкА В мкА

мкА мкА

Упражнение 2

U U

=___________________

=__________________

№

п/п

I, E, I, E, Ф, Ф,

, ,

см

мА

лк

мкА

лм

мА

лк

лм

Дата________ Подпись преподавателя___________________

329

Описания лабораторных работ Физика атомного ядра

Лабораторная работа №114

СНЯТИЕ СЧЕТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА

Цель работы – ознакомиться с принципом работы счетчика Гейгера, по-

строить его счетную характеристику и определить ее основные параметры.

Приборы и принадлежности: радиометр со встроенными блоками питания

и счета импульсов, счетчик Гейгера.

Общие положения

Среди разнообразных методов регистрации радиоактивного излучения

наиболее широкое применение получил газоразрядный счетчик (счетчик Гейге-

ра). Он представляет собой тонкостенный стеклянный или металлический ци-

линдр, наполненный одноатомным газом аргоном при пониженном давлении

порядка 100 мм рт. ст.

Схема устройства счетчика представлена на рис. 1. Корпус цилиндра

служит катодом. Если он из стекла, то покрывается изнутри тонким слоем ме-

талла. Анодом является

центральная тонкая ме-

таллическая нить, натя-

нутая вдоль оси цилин-

дра и изолированная от

корпуса. К электродам

подведено постоянное

напряжение от источни-

ка эдс. Величина тока,

проходящего через газ,

измеряется по падению напряжения на измерительном сопротивлении.

Усилитель

Газ, заполняющий сосуд, сам по себе не проводит электрического тока.

Под действием радиоактивного излучения в объеме счетчика происходит про-

цесс ионизации молекул аргона, т.е. образуются первичные положительные ио-

ны и свободные электроны. При создании достаточной разности потенциалов

между электродами счетчика электроны ускоряются электрическим полем, и

начинается протекание вторичной (ударной) ионизации газа ионами. В объеме

счетчика возникает значительное количество положительных ионов и электро-

нов, которые движутся соответственно к катоду и аноду.

Попадание хотя бы одной ионизирующей частицы (или кванта) в объем

счетчика вызывает с определенной вероятностью прохождение через счетчик

кратковременного импульса тока, который после усиления регистрируется

электромеханическим счетчиком импульсов. Количество импульсов n, возни-

кающих в счетчике в единицу времени, называется скоростью счета.

n =

(1)

где N − количество импульсов, зарегистрированных за время t.

Газ

Изолятор

егистрирующее

устройство

РУ

Рисунок 1

330