№ 133 (1107957)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 133ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГОФОТОЭФФЕКТАЛаб. работу поставил доц. Короленко П.В.Москва 2012 г.Подготовил методическое пособие к изданию доц.

Авксентьев Ю.И.3ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА 1Внутренним фотоэффектом называют перераспределениеэлектронов между энергетическими уровнями твердого тела,происходящее под действием проникшего внутрь тела света.Наблюдается внутренний фотоэффект только в диэлектриках иполупроводниках. В случае внутреннего фотоэффекта в отличие отвнешнего электроны остаются внутри тела. При этом в веществеизменяются концентрация носителей заряда (электронов и дырок) и ихподвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества.Внутренний фотоэффект обнаруживается по изменению проводимости тел(фотопроводимость), либо по возникновению электродвижущей силы,(вентильный фотоэффект).Для объяснения внутреннего фотоэффекта приходится привлекать нетолько квантовые свойства излучения, но и квантовые свойства вещества.Основой для изучения квантовых свойств вещества является зоннаятеория.Зонная теорияДвижение электронов в атомах и молекулах происходит в малых областяхпространства, имеющих порядок 10-8 см.

Как известно, квантовыесвойства электронов в этом случае проявляются в наличии строгоопределенных значений, которые может принимать энергия электронов уровней энергии. Напротив, энергия свободного электрона можетпринимать непрерывный ряд значений в области от нуля добесконечности.

При объединении атомов в кристалл электронывнутренних атомных оболочек, наиболее тесно связанные с ядром атома,движутся по-прежнему вблизи ядер. Их уровни энергии мало отличаютсяот уровней энергии соответствующих электронов в отдельных атомах.Электроны внешних оболочек (валентные электроны) удерживаются ватомах гораздо слабее и более или менее свободно перемещаются внутривсего кристалла от одного узла кристаллической решетки к другому,становясь, таким образом, общими для всего кристалла. Движение ихосуществляется хотя и в ограниченных, но макроскопических пределахпространства. Возможные значения энергии этих электронов образуютотдельные области - разрешенные зоны, состоящие из большого числаочень близко расположенных друг к другу уровней энергии.

Разрешенныезоны разделены промежутками - запрещенными зонами, т.е. областямизначений энергии, которые электроны в кристалле иметь не могут.1Теоретическое введение к лабораторной работе написано Пустоваловым Г.Е.4Ширина каждой из разрешенных зон, т.е. разность энергий верхнего инижнего уровней зоны (или, как говорят, расстояние между ее "дном" и"потолком"), и взаимное расположение зон определяются свойствамикристаллической решетки (строением ее ячейки и, следовательно, вконечном счете, химическими свойствами вещества). Разрешенные зоныимеют ширину порядка 1 эВ 2. Ширина запрещенной зоны может бытьразличной вплоть до того, что разрешенные зоны могут накладываться другна друга.Между разрешенными зонами энергии в кристалле и уровнями энергииотдельных атомов, из которых образован кристалл, имеется связь каждому уровню энергии атома в кристалле, состоящем из Nатомов, соответствует зона, содержащая N уровней.

Говорят,что при объединении атомов в кристалл зоны образуются путемрасщепления соответствующих уровней энергии атомов. В кристаллемакроскопических размеров содержится огромное число атомов(напомним, что в одном моле вещества число атомов равно числу АвогадроNA = 61023 ), поэтому расстояние между соседними уровнями в зоненичтожно мало.

Например, при массе кристалла 1 мг число уровней в зонеимеет порядок 1019, и расстояние между ними составляет около 10-19 эВ.Так как эта величина намного меньше энергии, которую может получитьэлектрон при возбуждении каким-либо способом (от внешнегоэлектрического поля, при поглощении кванта света или за счет тепловогодвижения), то можно считать, что внутри зоны энергия электрона меняетсянепрерывно.Для системы, состоящей из электронов, справедлив принцип Паули,согласно которому в системе не могут находиться электроны, имеющиеодинаковые состояния. Состояния электрона с одинаковой энергией могутотличаться друг от друга противоположными направлениями спина(собственного момента импульса) электрона.

В результате, энергией,соответствующей определенному уровню зоны, могут обладать не болеедвух электронов. Таким образом, максимальное число электронов энергия,которых может лежать в пределах зоны (электронов, находящихся в даннойзоне), если зона имеет N уровней, равно 2N.При температуре, приближающейся к абсолютному нулю, общаяэнергия системы должна быть минимальной: электроны попарно заполняютнизшие уровни зоны. Степень заполнения электронами уровней зависит отзаполнения электронами атомного уровня, расщеплением которогополучается зона.

Если этот уровень в атоме заполнен, то и зона заполненацеликом. Пустым уровням соответствуют свободные (незаполненные при21 эВ = 1,602·10 -19 Дж – энергия, которую приобретает электрон, проходя вэлектрическом поле разность потенциалов в 1 В.5T = 0 K) зоны, частично заполненным уровням - заполненные не полностьюзоны. Первая сверху зона, содержащая электроны при T = 0 K, называетсявалентной.По характеру заполнения валентной зоны электронами веществаделятся на два типа: металлы и неметаллы.У металлов валентная зона либо заполнена не полностью (рис. 1), либопри полностью заполненной валентной зоне валентная и свободная зоныРис. 1перекрываются (рис.

1б), что бывает обычно в кристаллах, образованныхщелочноземельнымиипереходнымиэлементами.Электроны,находящиеся на верхних заполненных уровнях энергии валентной зоныметалла, под действием электрического поля легко приобретаютускорение. Их энергия изменяется, они переходят на незаполненныеуровни, что и приводит к возникновению упорядоченного движениязарядов в веществе, т.е. к появлению электрического тока. Валентная зонав этом случае называется также зоной проводимости. Металлыявляются хорошими проводниками электричества при любой температуре.Вещества, у которых между целиком заполненной валентной зоной исвободной зоной имеется запрещенная зона (энергетическая щель),называются неметаллами.

Ввиду отсутствия при Т = 0 K свободныхуровней в валентной зоне электрическое поле при этой температуре не можетвызывать перераспределения электронов по уровням энергии внутри зоны исоздавать электрический ток. Напряженности электрического поля обычной6величины недостаточно для того, чтобы сообщить электронам энергию,необходимую для перехода через запрещенную зону на свободные уровнилежащей выше зоны. Поэтому при абсолютном нуле температуры всенеметаллы являются изоляторами.При Т  0 К некоторая доля электронов может попасть из валентнойзоны в свободную за счет энергии теплового движения. Под воздействиемэлектрического поля становится возможным перераспределение электроновпо уровням как в свободной зоне, так и в валентной, ввиду появления в нейнекоторого числа освободившихся уровней. В результате, веществостановится электропроводным.

Число электронов, перешедших в свободнуюзону вследствие теплового возбуждения, существенно зависит отсоотношения между шириной Wз запрещенной зоны и средней энергиейтеплового движения частиц вещества. Средняя энергия теплового движенияпри температуре Т определяется, как известно, величиной kТ ( k = 1,3810 -23Дж/К - постоянная Больцмана). При температурах вблизи Т  300 К, скоторыми чаще всего приходится иметь дело, kТ  0,025 эВ. Так как прихаотическом тепловом движении некоторая доля частиц может иметьэнергии, значительно превышающие среднюю, то даже в том случае, когдаширина запрещенной зоны WЗ 1 эВ, т.е.

заметно превышает величину kТпри Т  300 К в свободную зону за счет теплового возбуждения переходитпри этой температуре число электронов, достаточное для того, чтобы создатьхотя и малую, но измеримую на опыте электропроводность вещества.Принято считать, что вещества, у которых WЗ  l эВ, являютсяполупроводниками. Вещества же, у которых W3 > 1 эВ, относят кизоляторам, или диэлектрикам (рис.

1в,г). Деление на полупроводники иизоляторы условно, так как резкой границы между ними не существует. Внекоторых случаях в качестве критерия, отделяющего полупроводники отизоляторов, берут не 1 эВ, а 2 эВ или даже 3 эВ.Собственнаяпроводимостьполупроводников.Впроводимости проводников участвуют как электроны, попавшие всвободную зону вследствие теплового возбуждения, так и электронывалентной зоны, получившие возможность изменять свою энергиюблагодаря наличию в валентной зоне освободившихся уровней.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы