Изучение работы вакуумного

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОДИОДА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы: 1. Получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) светодиодов.

2. Определение длины волны излучения светодиодов и определение постоянной Планка.

Приборы: светодиоды зелёного и красного свечения, установка для регистрации вольт-амперных характеристик, оптическая скамья с дифракционной решёткой для определения длины волны излучения светодиодов.

Теоретические сведения

Элетролюминесценция, устройство и принцип действия светодиодов. Явление электролюминесценции было открыто в 1907 году. Оно заключается в генерации света при прохождении электрического тока через тело, к которому приложено электрическое поле. При этом мощность изучения электролюминесценции превышает интенсивность тепловою излучения при данной температуре. Электролюминесценция отличается oт теплового излучения, получаемого от нагретого до высокой температуры источника, например, лампы накаливания, относительно узким интервалом длин волн (частот) в спектре излучения. Спектр электролюминесценции может быть почти идеально монохроматическим. Одним из люминесцентных приборов является светодиод.

Светодиодом называется полупроводниковый оптоэлектронный прибор, позволяющий получать близкое к монохроматическому излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.

Электролюминесценция в видимой области спектра представляет особый интерес благодаря множеству возможных применений для передачи информации от электронных приборов человеку. К настоящему времени светодиоды нашли широкое распространение в повседневной практике. Они обеспечивают отображение информации в буквенно-цифровой форме во многих портативных калькуляторах и наручных часах. Светодиоды могут использоваться в так называемых оптронах, которые обеспечивают электрическую развязку между входным или управляющим и выходным сигналами, а также в волоконно-оптических линиях связи.

Активной частью светодиода является электронно-дырочный p-n-переход. Если к p-n-переходу приложить напряжение U в прямом направлении, то есть «плюс» источника соединить с p-областью, а его «минус» – с n-областью, то через p-n-переход потечёт ток, который сопровождается инжекцией электронов в p-область и дырок в n-область. Электроны, попавшие в p-область, рекомбинируют там с дырками, переходя, главным образом, из зоны проводимости в валентную зону и в меньшей степени на свободные акцепторные уровни. Дырки, попавшие в n-область, рекомбинируют там в основном с электронами из зоны проводимости и в меньшей степени с электронами донорных уровней. Таким образом, все процессы рекомбинации сопровождаются уменьшением энергии электронов в среднем на ширину запрещённой зоны. Эта энергия переходит в энергию тепловых колебаний кристаллической решётки (фононов) в обычных диодах, а при излучательной рекомбинации, реализуемой в светодиодах, в энергию рекомбинационного электромагнитного излучения, частота которого (ν) в соответствии с соотношением Планка определяется изменением энергии электрона, то есть

,

где – изменение энергии электрона при излучательной рекомбинации; h – постоянная Планка. Ширина запрещённой зоны зависит от природы полупроводника и лежит в интервале от 0,8 до 3эВ, что соответствует длине волны излучения в диапазоне от 1500 до 400 нм.

Интенсивность излучательной рекомбинации определяется концентрацией свободных носителей заряда и скоростью их прохождения через p-n-переход. Приложенное напряжение снижает высоту барьера для преодоления p-n-перехода и, следовательно, увеличивает скорость, с которой он преодолевается электронами и дырками. Если в идеальном случае каждая введённая дырка или электрон приводит к излучению фотона, энергия которого равна ширине запрещённой зоны ΔЕ, то для приложенных напряжений U<ΔЕ/e (где e – заряд электрона) энергия излучения превосходит потребляемую электрическую энергию. Недостаток энергии может восполняться за счёт тепловой энергии, которую прибор может забирать от окружающей среды вследствие теплообмена, вызывая её охлаждение. Поэтому интенсивность излучения для таких напряжений невелика. Она постепенно увеличивается для U<U_k и лавинообразно возрастает при напряжениях U>U_k с приближением к значению ΔЕ/e, где U_k – контактная разность потенциалов p-n-перехода. Оптимальное прямое напряжения U_пр соответствует равенству ширины запрещённой зоны и потребляемой электрической энергии, то есть

. (1)

Для больших напряжений интенсивность излучения стремится к насыщению, а избыток электрической энергии переходит в энергию тепловых колебаний кристаллической решётки и приводит к нагреву светодиода.

Рис. 53

Одна из наиболее распространённых конструкций светодиода показана на рис. 53 (а – устройство; б – обозначение на схемах; в – прямая ветвь вольт-амперной характеристики, сокращённо ВАХ). Пластина полупроводника с p-n-переходом 1 (см. рис. 53,а) и жёсткие электрические контакты 2 заливаются прозрачной пластмассой. Часть пластмассового корпуса представляет собой собирающую линзу 3, которая концентрирует излучение p-n-перехода.

Для уменьшения потерь на полное внутреннее отражение световыводящей поверхности полупроводникового прибора придают такую форму (полусфера, усечённая полусфера, параболоид), чтобы подавляющее большинство лучей падало на неё под углом к нормали меньше предельного, то есть угла полного внутреннего отражения. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла уменьшает потери на обычное отражение лучей света, падающих на световыводящую поверхность под углом меньше предельного.

Для светодиодов на основе различных материалов коэффициент полезного действия лежит в интервале от десятых долей процента до нескольких процентов.

Материалы для изготовления светодиодов. Полупроводники для изготовления светодиодов видимого диапазона должны иметь ширину запрещённой зоны не менее 1,6эВ (красная граница видимого диапазона электромагнитного излучения). Одним из важнейших материалов, используемых в этой части спектра, является фосфид галлия (GаР), имеющий ширину запрещённой зоны 2,3эВ, что соответствует зелёному излучению с длиной 540 нм. Для увеличения вероятности излучательной рекомбинации в полупроводник вводят атомы азота (N).

Для изготовления светодиодов с излучением в видимой части спектра применяют также кристаллы трёхкомпонентных твёрдых растворов GaAs_1-xP₄, получаемые методом эпитаксии на подложках из GaAs и GaР. Эти полупроводники обладают тем преимуществом, что в зависимости от содержания фосфора или мышьяка у них изменяется ширина запрещённой зоны и, соответственно, длина волны излучения светодиодов на их основе. Твёрдый раствор GaAs_0,6P_0,4 на подложке из GaAs используется для изготовления светодиодов с красным свечением. Кристаллы твёрдых растворов GaAs_1-хР_х при х>0,45, легированные азотом для увеличения вероятности излучательной рекомбинации и выращиваемые на подложках из GaP, позволяют получать значения КПД от 0,1 до 1% в оранжевой (х=0,65) и жёлтой (х=0,85) областях спектра.

Светодиоды, излучающие голубой свет, могут быть изготовлены на основе полупроводниковых соединений ZnS и SiC, а в фиолетовой части спектра (λ=400нм) расположена полоса излучения p-n-перехода на основе GaN.

Для изготовления светодиодов инфракрасного излучения применяют полупроводники с шириной запрещённой зоны менее 1,6эВ. К ним относятся GaAs, а также твёрдые растворы на его основе, в состав которых входят три или даже четыре элемента III и V групп периодической таблицы, например Ga_1-хIn_хAs_1-yP_y. Инфракрасные светодиоды находят широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) и спектр излучения светодиода. Изображение светодиода на схемах показано на рис. 53,б; его сокращённое наименование – VH. Светодиод подключается к источнику тока в прямом направлении (рис. 54). А так как его вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис. 53,в) аналогична характеристике обычного диода, то для ограничения прямого тока последовательно включается балластный резистор R_бал, как показано на рис. 54.

Рис. 54

На рис. 55 представлена типичная спектральная характеристика излучения светодиода. Положение максимума излучения не зависит от величины подаваемого напряжения и определяется соотношением

, (2)

где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; ΔЕ – ширина запрещённой зоны полупроводника.

Рис. 55

Энергия излучаемых при рекомбинации квантов света близка к ширине запрещённой зоны полупроводника ΔЕ. Поэтому рабочее напряжение светодиода U_пр в принципе можно рассчитать, зная ширину запрещённой зоны полупроводника или длину волны λ_max, с помощью соотношений (1) и (2). Однако существуют и другие довольно простые экспериментальные способы определения этого напряжения. Рассмотрим два из них.

Первый способ основан на том, что при больших прямых смещениях U>U_k барьер для преодоления p-n-перехода отсутствует, и величина электрического тока будет определяться концентрацией свободных носителей зарядов, зависящей только от температуры, и скоростью их упорядоченного движения, которая пропорциональна ускоряющей разности потенциалов Δφ=U-U_k. Следовательно, при постоянной температуре и U>U_k величина электрического тока I пропорциональна разности U-U_k, и график зависимости тока от положительного смешения представляет собой прямую линию, пересекающую ось напряжений в точке U=U_k. С другой стороны, U_пр не намного превышает U_k, то есть U_пр≈U_k.

Рис. 56

Таким образом, экстраполируя линейный участок ВАХ до оси напряжений, найдём искомое рабочее напряжение U_пр. Для этого снимаем ВАХ и линеаризируем её, то есть проводим касательную к характеристике в области больших токов (рис. 56). Пересечение касательной с осью напряжений отсекает отрезок, приблизительно равный U_пр. Определив U_пр по ВАХ находим рабочий ток светодиода I_раб, то есть ординату точки пересечения перпендикуляра к оси абсцисс при U=U_k с вольт-амперной характеристикой I_раб=I(U_пр).

Другой способ определения U_пр заключается в визуальной регистрации начала интенсивного излучения светодиода. Дело в том, что яркость свечения светодиода при увеличении напряжения на нём изменяется неравномерно. Вначале свечение заметно только в области самого полупроводникового кристалла, а при достижении напряжения U_пр оно лавинообразно заполняет весь объём пластмассового корпуса, и дальнейший рост напряжения к заметному изменению яркости свечения не приводит. Таким образом, наблюдая за характером свечения, нужно зафиксировать напряжение резкого изменения яркости свечения светодиода. Это и будет его рабочее напряжение U_пр. Практика показывает, что этот способ, как правило, даёт хорошие результаты, так как глаз – уникальнейший из приборов, созданных природой.

Описание прибора

Установка для измерения основных характеристик светодиодов состоит из электрической схемы для регистрации ВАХ (рис. 57) и оптической схемы для определения длины волны излучения светодиода с помощью дифракционной решётки (рис. 58).

Рис. 57 Рис. 58

Здесь 1 – зона наблюдения; 2 – дифракционная решётка с периодом d; 3 – непрозрачная подвижная линейка со щелью; 4 – мнимое изображение источника света (дифракционный максимум первого порядка); VH – светодиод; V – вольтметр; R1 – переменный резистор (реостат); R2 – балластный резистор; mA – миллиамперметр.

Проведение измерений и обработка результатов

Задание 1. Изучение светодиодов.

1.1. Используя схему, изображённую на рис. 57, снимите ВАХ светодиода. Для этого, плавно перемещая движок реостата, записывайте показания вольтметра и миллиамперметра при изменении тока на каждые 2-3мА. Регистрацию ВАХ проделайте для двух светодиодов – с красным и зелёным свечениями. Результаты измерений занесите в табл. 1, отметив в ней напряжения U_пр, при которых начинается яркое свечение светодиодов.

Таблица 1

Красный светодиод
Напряжение, В
Ток, мА
Зелёный светодиод
Напряжение, В
Ток, мА

1.2. Для обоих светодиодов постройте ВАХ, то есть зависимости и определите по ним рабочие ток I_раб и напряжение U_пр.

1.3. Сравните значения рабочего напряжения U_пр, найденные из ВАХ и визуальным методом по напряжению “зажигания” светодиода.

1.4. Проведите расчёт балластного сопротивления R_бал, исходя из следующих соображений. Фиксированное напряжение, близкое к U_пр, подаваемое на светодиод в какой-либо схеме, можно установить двумя способами: либо подбором выходного напряжения источника питания U_ист (если такая регулировка предусмотрена), либо подбором балластного сопротивления R_бал, последовательно подключаемого к светодиоду (когда регулировка выходного напряжения источника питания U_ист отсутствует). В последнем случае, зная напряжение источника питания и определив по ВАХ “рабочую точку” светодиода, то есть U_пр и I_раб, вычисляют R_бал по формуле

. (3)

Задание 2. Определение постоянной Планка.

Постоянная Планка, являющаяся одной из фундаментальных констант квантовой физики, может быть найдена из экспериментов со светодиодами. Для этого необходимо измерить напряжение U_пр и длину волны, на которую приходится максимум излучения светодиода l_max, и произвести расчёт постоянной Планка по формуле

, (4)

где е – заряд электрона; с – скорость света в вакууме; – частота, на которую приходится максимум излучения светодиода.

При этом длина волны l_max может быть найдена, например, с помощью установки, схема которой представлена на рис. 57, 58. Из построения хода лучей при образовании мнимого изображения дифракционного спектра (точка 4 на рис. 58) при условии L >> l следует, что длина волны равна

, (5)

где d – постоянная дифракционной решётки в метрах; l – расстояние от щели линейки до первого дифракционного максимума; выраженное в метрах, L – расстояние от дифракционной решётки до подвижной линейки со щелью, также выраженное в метрах.

Подставив выражение (5) в (4), получим формулу для экспериментального определения постоянной Планка:

. (6)

2.1. Используя установку, блок-схема которой представлена на рис. 57, 58, и, изменяя положение движка резистора R1, наблюдают через дифракционную решётку изменение яркости излучения светодиода. При этом дифракционные максимумы первого порядка должны располагаться симметрично относительно щели подвижной линейки.

2.2. Понаблюдайте за характером нарастания яркости светодиода при изменении напряжения питания. Обратите внимание на то, что яркое свечение возникает при строго определенном напряжении. При этом напряжении яркость свечения резко возрастает и при дальнейшем увеличении напряжения почти не меняется.

2.3. Измерьте 3-5 раз напряжение U_пр на светодиоде, с которого, по вашему мнению, начинается его интенсивное свечение. Сравните полученные значения U_пр с величинами, найденными из ВАХ светодиода (задание 1). Найдите среднее значение U_пр.

2.4. Измерьте при разных значениях базы L прибора расстояние l от щели до середины первого максимума дифракционного спектра. Найдите среднее значение .

2.5. По формуле (6) произведите расчёт постоянной Планка h и абсолютной погрешности её определения Dh: Dh = e×h, где относительная погрешность .

2.6. Проделайте эти операции для двух светодиодов и занесите все полученные результаты в таб. 2.

Таблица 2

Цвет свечения	Uпр, В	, м	, м	l, мкм	h, Дж×с
Красный
Зеленый

2.7. Представьте полученное среднее экспериментальное значение постоянной Планка в виде и сравните его с табличной величиной h.

Контрольные вопросы и задания

1. Объяснить устройство и принцип действия светодиодов. Рассказать об областях их применения.
2. Нарисовать и объяснить ВАХ светодиода и спектр его излучения. Как они зависят от материала и конструкции светодиода?
3. Рассказать о способах определения “рабочей точки” светодиода и величины балластного резистора.
4. Каковы методы определения спектральной характеристики светодиода?
5. Вывести рабочую формулу для экспериментального определения постоянной Планка.
6. Какие материалы используются для изготовления светодиодов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ

И ЛЮКСАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ

Цель работы: регистрация вольт-амперных и люкс-амперных характеристик полупроводникового гетеролазера и определение его основных эксплуатационных параметров.

Приборы: гетеролазер, установка для регистрации вольтамперных и люкс-амперных характеристик.

Теоретические сведения

Лазером называется прибор, генерирующий очень узкий пучок монохроматического когерентного света высокой интенсивности. Излучение лазера представляет собой почти идеальную плоскую волну. Обычный источник излучает свет во всех направлениях, так что интенсивность его излучения быстро убывает с расстоянием, и свет некогерентен. Некогерентность света (случайное несовпадение по фазе различных частей пучка) обусловлена тем, что возбуждённые атомы испускают свет независимо друг от друга, и каждый фотон можно рассматривать как короткий цуг волн – обычно длиной около 3м и длительностью порядка 10^-8с. Между этими цугами нет определённых фазовых соотношений.

Принцип действия лазера основан на квантовом эффекте. Фотон может поглощаться атомом, когда (и только когда) его энергия hv совпадает с разностью энергий между заполненным энергетическим уровнем атома и свободным возбуждённым уровнем (рис. 59,а). Иначе говоря, необходимо выполнение условия своего рода резонанса. Если атом уже находится в возбуждённом состоянии, то он может самопроизвольно перейти в более низкое состояние с испусканием фотона. При этом возникает так называемое спонтанное излучение. Если с возбуждённым атомом сталкивается фотон, обладающий нужной энергией, то он стимулирует переход атома в более низкое состояние (рис. 59,б).

Рис. 59

Излучение, сопровождающее такой переход, называется вынужденным. Нетрудно видеть, что при вынужденном излучении не только сохраняется падающий фотон, но и в результате перехода атома и более низкое энергетическое состояние возникает фотон с такой же частотой. Оба фотона оказываются в фазе друг относительно друга. Именно так возникает в лазере когерентное излучение. Само название «лазер» произошло из аббревиатуры английского названия прибора Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света вынужденным излучением.

Обычно большая часть атомов находится в низшем энергетическом состоянии, и поэтому падающие фотоны в основном поглощаются. Чтобы получить когерентное излучение в результате вынужденного испускания, необходимо выполнить два условия. Во-первых, атомы должны находиться в более высоком по энергии возбуждённом состоянии, то есть необходима инверсная населённость, при которой число атомов в более высоком состоянии превышает число атомов в более низком состоянии, так что испускание фотонов преобладает над поглощением. Во-вторых, более высокое состояние должно быть метастабильным, то есть электроны в нём должны находиться дольше, чем обычно, и переход в более низкое состояние происходит благодаря вынужденному, а не спонтанному излучению. Эти два условия в различных лазерах выполняются по разному.

Рассмотрим общую схему работы лазера. Предположим, что атомы находятся в состоянии с более высокой энергией. Схема лазера изображена на рис. 60: активная среда лазера заключена в длинной узкой трубке, на концах которой расположены два зеркала. Одно из зеркал полупрозрачное (пропускает около 1-2% падающего излучения). Некоторые из возбуждённых атомов довольно скоро переходят в более низкое по энергии состояние.

Рис. 60

Один из таких атомов изображён на рис. 60 слева. Если излучённый им фотон испытывает столкновение с другим возбуждённым атомом, то он стимулирует этот атом испустить ещё один фотон той же частоты и в фазе с падающим фотоном. Оба фотона в дальнейшем сталкиваются с другими возбуждёнными атомами, стимулируя дальнейшее вынужденное излучение. Процесс продолжается, и число фотонов лавинно нарастает. При попадании фотонов на зеркала на концах трубки большинство их отражается, и, двигаясь в обратном направлении, они продолжают стимулировать испускание атомами новых фотонов. Небольшая доля фотонов, летящих то в одну, то в другую сторону между зеркалами, выходит через полупрозрачное зеркало на одном из концов трубки. Именно эти фотоны и образуют узкий когерентный пучок излучения лазера.

Таким образом, для лазерной генерации необходимы: активная среда с инверсной населённостью, усиливающая свет; устройство для её возбуждения (накачки), создающее такую инверсную населённость; оптический резонатор (система двух зеркал), возвращающий часть фотонов обратно в активную среду.

К важнейшим характеристикам лазера относятся: мощность излучения (Р_изл), порог генерации, коэффициент полезного действия (КПД), длина волны (λ), ширина спектральной линии (Δλ), угловая расходимость излучения (φ_изл), модовый состав излучения. Основные эксплуатационные показатели – диапазон рабочих температур и долговечность.

В полупроводниковых лазерах инверсия населённости энергетических уровней может быть достигнута путём инжекции носителей заряда через p-n-переход.

Для излучения, генерируемого полупроводником при межзонной рекомбинации, должно выполняться условие . Поэтому необходимо, чтобы инжектируемые (возбуждённые) электроны получали достаточные порции энергии, то есть должно иметь место неравенство:

, (1)

где U_p-n – приложенное к p-n-переходу прямое напряжение; ΔЕ – ширина запрещённой зоны; е – заряд электрона.

Рис. 61

Неравенство (1) является условием, которое может быть выполнено лишь при использовании столь сильнолегированных полупроводников, что в них, благодаря вырождению, уровень Ферми располагается в зоне проводимости и в валентной зоне для n- и p- областей соответственно (рис. 61,а).

Полупроводниковые гомо- (вверху) и гетеро- (внизу) лазеры показаны на рис. 61: а – зонная диаграмма в состоянии теплового равновесия; б – распределение концентраций электронов и дырок в режиме прямого смещения.

Роля оптического резонатора в полупроводниковых лазерах играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярные плоскости p-n-перехода.

При пропускании через p-n-переход достаточного большого прямого тока может возникнуть когерентное излучение. Такие гомолазеры с р-n-переходом были созданы на основе GaAs. Типичная структура лазера с р-n-переходом показана на рис. 62.

Рис. 62

Две боковые грани 1 и 2 структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости p-n-перехода и через них осуществляется вывод стимулированного излучения в окружающее пространство. Наоборот, две другие грани 3 и 4 делаются шероховатыми, чтобы предотвратить излучение в направлении, перпендикулярном главному 1–2. Расстояние между зеркальными поверхностями 1 и 2 должно быть равно целому числу длин волн испускаемого когерентного излучения. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо. Фотон, отразившись от боковых зеркальных граней 1 или 2, может многократно пройти активную область лазера вперёд и назад, стимулируя новые излучательные переходы электронов в основное состояние, то есть в валентную зону.

При малых прямых смещениях на р-n-переходе, когда степень отклонения от равновесия недостаточна для возникновения стимулированного излучения, из лазера выходит спонтанное и некогерентное излучение. Только при достижении плотностью тока некоторого порогового значения j_пор активная область лазера начнёт испускать монохроматический когерентный и строго направленный луч света.

Однако лазеры на основе гомопереходов имеют чрезвычайно высокие значения пороговой плотности тока. Сильный нагрев лазерного диода при таких плотностях тока не позволяет реализовать непрерывный режим работы при комнатной температуре.

Лишь изобретение и создание лазеров с гетероструктурой (см. рис. 61) – гетеролазеров – позволило устранить присущие гомогенным структурам недостатки и экспериментально подтвердить предсказанные достоинства полупроводниковых лазеров.

К настоящему времени удалось уменьшить ширину активной области d_а до 0,5–0,2 мкм за счёт использования для изготовления лазера двойной гетероструктуры nAl_xGa_1-xAs–pGaAs–pAl_xGa_1-xAs, энергетическая структура которой представлена на рис. 61 внизу. Как видно из данного рисунка, в такой структуре избыточные носители сосредоточены внутри активной области, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами, что исключает их диффузионное расползание в прилегающие области. Одновременно за счёт скачкообразного уменьшения показателя преломления при переходе от арсенида галлия (GaAs) к твёрдому раствору Al_хGa_1-хAs, практически исключается выход излучения за пределы активной области вследствие явления полного внутреннего отражения. Кроме того, для выполнения условия (1) в гетеролазере нет необходимости легировать активную область до вырождения, так как это условие выполнено за счёт различия запрещённых зон в GaAs и Al_хGa_1-хAs. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению КПД.

Таким образом, в инжекционном гетеролазере, в отличие от полупроводниковых лазеров на гомогенном полупроводнике, области инверсной населённости, рекомбинации носителей заряда и распространения светового излучения почти полностью совпадают и сосредоточены в активном среднем слое. Это приводит к снижению в десятки раз пороговой плотности тока и повышению КПД, что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Лучшие образцы полупроводниковых инжекционных лазеров позволяют получать когерентное монохроматическое излучение большой мощности с шириной спектральной линии 0,01–0,1нм. Причём лазеры такого типа обладают высоким КПД (до 80%) преобразования электрической энергии в энергию излучения. Кроме того, имеется возможность управления длиной волны излучения лазера, например, за счёт приложения гидростатического давления, изменения температуры прибора и т.д. Все эти достоинства полупроводниковых лазеров открывают широкие перспективы их применения в промышленности, в частности, в волоконно-оптических средствах связи и элементах оптоэлектроники, в научных исследованиях в области молекулярной и атомной спектроскопии, газовой спектроскопии высокого разрешения и для контроля загрязнения атмосферы.

Описание прибора

Рис. 63

В состав установки для регистрации вольт-амперных (ВАХ) и люкс-амперных (ЛАХ) характеристик, блок-схема которой представлена на рис. 63, входят: регулируемый источник напряжения 1; вольтметр 2; амперметр 3; исследуемый гетеролазер 4 и люксметр 5 для измерения интенсивности света, генерируемого исследуемым лазером.

Проведение измерений и обработка результатов

1. Медленно изменяя напряжение на гетеролазере, записывают показания вольтметра, амперметра и люксметра.
2. Результаты заносят в таблицу, по возможности точно отмечая напряжение начала генерации спонтанного излучения (то есть отклонение стрелки люксметра от нуля) и начала лазерного когерентного режима излучения света U_k.

Напряжение U, В
Ток I, мА
Показания люксметра Е, лк

1. На основании полученных экспериментальных данных строят зависимость тока от напряжения I=I(U) (ВАХ) и зависимость освещённости фотоприёмника люксметра от протекающего через гетеролазер тока Е=Е(I) (ЛАХ).
2. Постройте зависимость выходной мощности гетеролазера Р_вых=kЕ от входной мощности Р_вх (где k=10^-5Вт/лк, Р_вх=IU, Е – показания люксметра в люксах). Определите наклоны этой зависимости на участках спонтанного и индуцированного излучения.
3. Постройте зависимость КПД h от подводимой электрической мощности Р_вх (здесь h=Р_вых/Р_вх) и найдите наиболее экономичный режим работы гетеролазера, при котором его КПД максимален.
4. На основе полученных данных найдите рабочий ток, обеспечивающий максимальный КПД, а также пороговую плотность тока j_пор=I_раб/S, где I_пор – ток, при котором начинается индуцированное излучение, а S=10^-6м² – площадь гетеролазера.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы условия генерации когерентного излучения?
2. Рассказать о методах создания инверсной заселённости энергетических уровней в твёрдых телах.
3. Рассказать о вероятности спонтанного и стимулированного излучения.
4. Рассказать о назначении оптического резонатора и методах его изготовления.
5. Каковы устройство и принцип действия полупроводниковых гомо- и гетеролазеров? В чём преимущества гетеролазеров?
6. Рассказать о способах улучшения эксплуатационных характеристик полупроводниковых гетеролазеров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ВАКУУМНОГО

ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента и определение зависимости величины фототока насыщения от освещённости фотокатода.

Приборы: экспериментальная установка.

Теоретические сведения

В науке и технике широкое применение получили фотоэлементы – приборы, в основе действия которых лежит явление внешнего фотоэффекта.

За объяснение в 1905 г. этого эффекта, состоящего в выбивании из катода фотоэлемента электронов при падении на него квантов света, А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Уравнение Эйнштейна, описывающее это квантовое явление, имеет вид

, (1)

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения; А_вых – работа выхода электронов из металла; m и υ – масса и скорость электронов.

Очень важным свойством вакуумных фотоэлементов является их низкая инерционность. Время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10^-9с. Получаемый ток зависит от освещённости, фототок растёт с напряжением, но при определённом напряжении достигает насыщения, а дальнейшее повышение напряжения уже не приводят к увеличению тока, так как все выбитые электроны достигают анода.

Зависимость фототока от напряжения изображают кривой, называемой вольт-амперной характеристикой фотоэлемента. Освещённость E фотокатода пропорциональна силе света J источника и обратно пропорциональна квадрату его расстояния d от фотокатода. Так как между фототоком I и силой света J источника существует прямая пропорциональность, фототок насыщения I_н обратно пропорционален квадрату расстояния.

Принимая лампочку за точечный источник света, можно считать, что освещённость фотокатода изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между лампочкой и фотоэлементом. Принимая за единицу относительную освещённость фотокатода (Е_кm=1лк) при максимальном удалении лампочки от фотоэлемента d_m, находим, что освещённость фотокатода при удалении лампочки от фотоэлемента d_n при n-м положении лампочки будет равна

. (2)

Описание прибора

В данной работе изучается вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент (СЦВ-3). Он выполнен в стеклянном баллоне, воздух из которого о
ткачен до давления 10^-6–10^-7мм рт.ст.

Рис. 64

На одну половину внутренней поверхности баллона на подкладочный слой магния или серебра нанесён тонкий слой сурьмы (рис. 64), а затем тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение Cs₃Sb служит катодом.

Рис. 65

Такой катод обладает малой работой выхода, и, следовательно, красная граница фотоэффекта для данного фотоэлемента находится в видимой части спектра. В центральной части баллона расположен металлический анод А, имеющий форму сферы.

Если на катод К направить пучок света и создать между анодом и катодом разность потенциалов U, то ускоряемые электрическим полем электроны, выбитые из катода, летят к аноду и обусловливают появление тока.

Для изучения вольт-амперной характеристики фотоэлемента и определения зависимости величины фототока насыщения I_H от освещённости фотокатода используют схему, представленную на рис. 65.

Проведение измерений и обработка результатов

1. Снятие вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента

1. Установить лампочку на расстоянии 0,16 м от фотоэлемента. Подключить установку к электрической сети.
2. Включением тумблера «ФЭ» замкнуть цепь фотоэлемента. Включить лампу.
3. Источником питания осторожно изменять напряжение от 0 до 150 В; через каждые 10 В записывать значения тока I_n для очередного значения напряжения U_n. Результаты занести в таблицу.

N	U, B	I, мкА

1. Построить график зависимости тока I от напряжения U и определить значения тока насыщения I_н и напряжения насыщения U_н.

2. Определение зависимости величины фототока насыщения от освещённости фотокатода

1. Источником питания установить значение напряжения, превышающее напряжение насыщения U_н.

2. Установить лампочку на расстоянии d = 0,16 м от отверстия футляра фотоэлемента.

1. Медленно менять положение лампочки от фотоэлемента в пределах от 0,16 м до 0,45 м, через каждые 0,05 м записывать значения тока I_н для каждого положения лампочки.
2. Рассчитать относительные освещённости E_n по формуле (2). Все результаты занести в таблицу.
3. Построить график зависимости тока насыщения I_н от относительной освещённости E_n.

N	d, м	IН, мкА	EN

Контрольные вопросы и задания

1. Можно ли объяснить явление фотоэффекта с позиций классической физики?
2. Сформулировать и объяснить законы внешнего фотоэффекта.
3. Написать уравнение Эйнштейна и объяснить его физический смысл.
4. Рассказать об устройстве вакуумного фотоэлемента.
5. Чем объяснить существование тока насыщения у вакуумных фотоэлементов?
6. Рассказать о практическом использовании фотоэлемента.
7. Рассказать о фотоэлементах с «запирающим» слоем.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 20

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОНАПОЛНЕННОГО

ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель работы:определение чувствительности газонаполненного фотоэлемента и снятие его вольт-амперной характеристики.

Приборы:экспериментальная установка.

Теоретические сведения

Явление фотоэффекта широко используется в науке и технике для регистрации и измерения световых потоков, для преобразования световых сигналов в электрические.

Приборы, действие которых основано на использовании фотоэлектрического эффекта, называются фотоэлементами.

В работе исследуется кислородно-цезиевый газонаполненный фотоэлемент ЦГ-4. Газонаполненный элемент – это стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода K. Анод A обычно выполняется в виде кольца. Между анодом и катодом создаётся разность потенциалов U источником постоянного тока (рис. 66).

Рис. 66

При неосвещённом катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует. Стеклянный баллон наполнен газом (чаще всего инертным), давление которого лежит в пределах от 1 до 0,05 мм рт ст. Ионизация молекул газа фотоэлектронами, летящими с катода, приводит к увеличению тока, текущего в цепи фотоэлемента. Одной из основных характеристик фотоэлемента является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость фототока Iот величины подаваемого на фотоэлемент напряжения U при неизменной освещённости E катода.

Пока напряжение U не превышает потенциала ионизации U_и наполняющего газа, ток в цепи газонаполненного фотоэлемента несколько меньше, чем в цепи вакуумного, из-за рассеяния электронов на молекулах наполняющего газа. При U>U_иток быстро возрастает.

Рабочее напряжение газонаполненного фотоэлемента должно быть меньше потенциала зажигания U_и, при котором начинается самостоятельный разряд, т.к. сильная ионная бомбардировка фотокатода приводит к его разрушению.

Применение газонаполненных фотоэлементов ограничено рядом недостатков, одним из которых является нелинейность их световых характеристик при работе с нагрузочным сопротивлением, т.е. нелинейность зависимости тока от освещённости при постоянной величине напряжения, приложенного между анодом и катодом.

Чувствительностью фотоэлемента называется величина, численно равная величине фототока, приходящейся на единицу светового потока Ф:

, (1)

которая измеряется в мкА/лм. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов порядка 100 мкА/лм.

Из определения чувствительности фотоэлемента видно, что для её нахождения необходимо узнать и величину соответствующего его светового потока Ф. Фототок измеряется непосредственно микроамперметром. Световой поток Ф, создаваемый лампочкой, находящейся на расстоянии d от фотоэлемента, и падающий на его поверхность S, определяется как

, (2)

где J – сила света лампочки (J=40лм); S – площадь сечения отверстия колпачка фотоэлемента (S=7·10^-4м²). Подставляя (2) в (1), получаем

. (3)

Описание прибора

Установка (рис. 67) состоит из футляра с фотоэлементом, перемещающейся лампочки, микроамперметра, вольтметра и регулируемого источника питания.

Рис. 67