実験配置
このように、今回はHalogen Lampを用いた透過の実験をした。実験は以下に行ったHalogen Lampの強度をそのまま測定、red filter(CdSのsemiconductorである)を分光器の入射側にはさんで強度を測定、最後は出射側にCdTe(CdTeは黒い試料ホルダーに小さい穴をあけそこに光を透過させた)を用いた強度測定を行った。
(ⅰ)実験結果
(A)ハロゲンランプ (B)ハロゲンランプ (C)ハロゲンランプ
spectroscopy (in red filter) spectroscopy semiconductor CdTe
|
λ(nm) |
強度(V) |
|
λ(nm) |
強度(V) |
|
λ(nm) |
強度(V) |
|
400 |
0.0154 |
|
400 |
0 |
|
400 |
0.000551 |
|
410 |
0.0208 |
|
410 |
0 |
|
410 |
0.00079 |
|
420 |
0.028 |
|
420 |
0 |
|
420 |
0.001056 |
|
430 |
0.0327 |
|
430 |
0 |
|
430 |
0.001258 |
|
440 |
0.0357 |
|
440 |
0 |
|
440 |
0.001392 |
|
450 |
0.0393 |
|
450 |
0 |
|
450 |
0.001549 |
|
460 |
0.0492 |
|
460 |
0 |
|
460 |
0.001917 |
|
470 |
0.0605 |
|
470 |
0 |
|
470 |
0.002257 |
|
480 |
0.0712 |
|
480 |
0 |
|
480 |
0.002824 |
|
490 |
0.0819 |
|
490 |
0 |
|
490 |
0.003204 |
|
500 |
0.0916 |
|
500 |
0 |
|
500 |
0.003629 |
|
510 |
0.1032 |
|
510 |
0 |
|
510 |
0.004096 |
|
520 |
0.1135 |
|
520 |
0 |
|
520 |
0.004486 |
|
530 |
0.1232 |
|
530 |
0 |
|
530 |
0.004835 |
|
540 |
0.1332 |
|
540 |
0 |
|
540 |
0.00527 |
|
550 |
0.1435 |
|
550 |
0.0001 |
|
550 |
0.00569 |
|
560 |
0.1532 |
|
560 |
0.0002 |
|
560 |
0.006125 |
|
570 |
0.1634 |
|
570 |
0.0004 |
|
570 |
0.00648 |
|
580 |
0.1727 |
|
580 |
0.0005 |
|
580 |
0.006855 |
|
590 |
0.1818 |
|
590 |
0.0003 |
|
590 |
0.007296 |
|
600 |
0.1908 |
|
600 |
0.0003 |
|
600 |
0.007793 |
|
610 |
0.1997 |
|
610 |
0.0004 |
|
610 |
0.008206 |
|
620 |
0.2069 |
|
620 |
0.0008 |
|
620 |
0.008435 |
|
630 |
0.2136 |
|
630 |
0.0118 |
|
630 |
0.0088 |
|
640 |
0.2193 |
|
640 |
0.0753 |
|
640 |
0.009107 |
|
650 |
0.2245 |
|
650 |
0.1485 |
|
650 |
0.00955 |
|
660 |
0.2297 |
|
660 |
0.1832 |
|
660 |
0.009977 |
|
670 |
0.2336 |
|
670 |
0.1949 |
|
670 |
0.010149 |
|
680 |
0.237 |
|
680 |
0.2007 |
|
680 |
0.010433 |
|
690 |
0.2391 |
|
690 |
0.2034 |
|
690 |
0.01047 |
|
700 |
0.2538 |
|
700 |
0.2165 |
|
700 |
0.011409 |
|
710 |
0.2622 |
|
710 |
0.2234 |
|
710 |
0.012035 |
|
720 |
0.264 |
|
720 |
0.2248 |
|
720 |
0.01249 |
|
730 |
0.263 |
|
730 |
0.2238 |
|
730 |
0.012662 |
|
740 |
0.2607 |
|
740 |
0.2216 |
|
740 |
0.012905 |
|
750 |
0.257 |
|
750 |
0.2181 |
|
750 |
0.012811 |
|
760 |
0.2525 |
|
760 |
0.2143 |
|
760 |
0.0129 |
|
770 |
0.2477 |
|
770 |
0.21 |
|
770 |
0.012899 |
|
780 |
0.2422 |
|
780 |
0.2052 |
|
780 |
0.013 |
|
790 |
0.2367 |
|
790 |
0.2002 |
|
790 |
0.013335 |
|
800 |
0.2314 |
|
800 |
0.196 |
|
800 |
0.014167 |
|
810 |
0.2269 |
|
810 |
0.1915 |
|
810 |
0.017255 |
|
820 |
0.2234 |
|
820 |
0.1883 |
|
820 |
0.02587 |
|
830 |
0.2216 |
|
830 |
0.1864 |
|
830 |
0.034512 |
|
840 |
0.2213 |
|
840 |
0.1858 |
|
840 |
0.037145 |
|
850 |
0.2226 |
|
850 |
0.1865 |
|
850 |
0.03658 |
|
860 |
0.2252 |
|
860 |
0.1882 |
|
860 |
0.035812 |
|
870 |
0.2287 |
|
870 |
0.1908 |
|
870 |
0.037012 |
|
880 |
0.2329 |
|
880 |
0.1945 |
|
880 |
0.038442 |
|
890 |
0.2374 |
|
890 |
0.1978 |
|
890 |
0.04066 |
|
900 |
0.2414 |
|
900 |
0.2007 |
|
900 |
0.043189 |
|
910 |
0.2451 |
|
910 |
0.203 |
|
910 |
0.045822 |
|
920 |
0.2486 |
|
920 |
0.2051 |
|
920 |
0.0476 |
|
930 |
0.2503 |
|
930 |
0.206 |
|
930 |
0.049016 |
|
940 |
0.251 |
|
940 |
0.2061 |
|
940 |
0.04932 |
|
950 |
0.2512 |
|
950 |
0.2055 |
|
950 |
0.048302 |
|
960 |
0.251 |
|
960 |
0.2049 |
|
960 |
0.046315 |
|
970 |
0.2495 |
|
970 |
0.203 |
|
970 |
0.044002 |
|
980 |
0.2455 |
|
980 |
0.1994 |
|
980 |
0.042262 |
|
990 |
0.2393 |
|
990 |
0.1939 |
|
990 |
0.040294 |
|
1000 |
0.231 |
|
1000 |
0.1868 |
|
1000 |
0.038012 |
実験考察
Halogen Lampは白色光を出すということが知られている。実際のスペクトルは図に示したものである。このスペクトルは黒体輻射で知られているように以下の式で従う。
今回の実験結果は二つ上の青のスペクトルがそれを表しているが可視光領域では概形はほぼ似ているが気になる点としては700nmでの異常な飛びとそこから減少して830nmあたりで極小値を取りそこからまた増加していくという点である。この原因を考えるときに、まず考えられるのが、回折格子の高次光がのってきているという事である。実際その可能性があるかどうかを検証する。720nmあたりでの高次光は360、240nmが考えられる。しかしred filterで620nm以下の波長を完全に断ち切った後でもこのような振る舞いは変わらない。これは回折格子が原因であるとは考えづらい。このことはほかの波長に関しても同様に考えることができる。次に考えられるのはdetector側の問題で、今回のdetectorはSiを用いたphoto diodoが波長依存性を持っていればこのような現象は考えられる。photo diodo の感度をグラフにしたものを載せ
た、これを黒体輻射の式に掛けることで720nmあたりに第一のpeakを持つことは説明できる。次に950nmにpeakを持つことは黒体輻射のpeakがどこに来るかが問題になるが、これはHalogen Lampの温度が問題である。温度によって黒体輻射のpeakが変化するからである。黒体輻射の色に関してはよく注意してみていなかったのでこれに関してあまり深い議論はできない。次に考えられる効果としてはgrating感度の波長依存性に関して考察する。これThorabsのcatalogによると短波長側に多くの吸収がある傾向はあるが、gratingはいろいろな種類があり(例えば、ホログラフィックで作られたものや、UV加工されたもの、線を引くことで作られたものなど)、一概にgratingによる影響を結論付けることができない。後考えられることとしてgratingにあたる角度によって光の捕捉量が異なることが考えられる。
次にCdTeの透過について考察する。CdTeのバンド構造は右図に示した。CdTeは直接型半導体で、吸収は０Kで1.47eV(843nm程度)からあることが知られている。実験結果をこの事実と見比べてみると、800nmあたりから急激に吸収されはじめてきている。このずれは室温ではバンド端近傍で電子はフェルミ分布をしておりｋT (0.025)eV、このことを考慮すると10nm程度のボケがわかる。これは実験結果とよく一致していると考えてもよさそうである。860nmにdipがあることがグラフから見て取れがこれは先に述べた分光器や検出側の問題があるためできちんと議論はできなさそうである。
最後にred filterに関して検証してみる。red filterは実際半導体のCdSeをガラスの中に混入したものである。よってCdSeに関して考察をしてみる。CdSeのバンドギャップは1.74eV(712nm)で直接型の半導体で、バンド構造図に関しては見つからなかったので載せなかった。実験結果と見比べてみると短波長側から630nm(1.97eV)あたりまで吸収があるが、712nmのバンドギャップを持つ、つまり、それより短波長側は吸収するはずであるがこれに対する説明がつかない。712nm付近から透過率が激減しない理由はよくわからないが、室温なので多少バンドの構造が変化したか他に不純物が含まれていてそれが影響しているのかという浅はかな考えしかたどり着かなかった。
