Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы

Где найти такой фотоэффект

Внутренний фотоэффект - перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках (но не в металлах) под действием света. Если энергия кванта hv падающего света превышает ширину запрещенной зоны в диэлектрике или полупроводнике, то электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара носителей: в зоне проводимости электрон, а в валентной зоне - дырка. Таким образом, в зоне проводимости появляются носители заряда, и при включении полупроводника в цепь по ней будет протекать ток или при приложении внешнего электрического поля будет протекать ток, изменяющийся в зависимости от освещенности.

Внутренний фотоэффект приводит:

  1. К изменению концентрации носителей в зоне проводимости (т.е. изме­нению проводимости);
  2. Возникновению фото ЭДС.

На использовании внутреннего фотоэффекта основано действие фотоэлементов – устройств, преобразующих световую энергию в электрическую, или изменяющих свои свойства под действием падающего света.Изменяющие свойства работают ка внутреннем фотоэффекте: фотосопротивления (ФС), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фоторезисторы, фотомикросхемы. Оптоэлектронная пара - в одном корпусе заключены источник света и фотоприемник - используются для гальванической развязки цепей.

Устройства, преобразующие световую энергию в электрическую, используют вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) - возникновение фото ЭДС на p-n переходе или на границе металла с полупроводниками. Устройства на вентильном фотоэффекте используются в фотоаппаратах, в солнечных батареях, в калькуляторах, на спутниках, в некоторых домах. Фотоэлементы используются также в фотометрии, спектрометрии, в астрофизике, биологии и т.д.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки теле - и видеокамер) и т.д.

Масса и импульс фотона. Давление света

Средиразнообразныхявлений, в которыхпроявляетсявоздействиесвета на вещество,важное местозанимаетфотоэлектрическийэффект, то естьиспусканиеэлектроноввеществом поддействиемсвета. Анализэтого явленияпривел к представлениюо световыхквантах и сыгралчрезвычайноважную рольв развитиисовременныхтеоретическихпредставлений.Вместе с темфотоэлектрическийэффект используетсяв фотоэлементахполучившихисключительноширокое применениев разнообразнейшихобластях наукии техники иобещающих ещеболее богатыеперспективы.[1]

1. Историяоткрытия фотоэффекта

Открытиефотоэффектаследует отнестик 1887 г., когда Герцобнаружил, чтоосвещениеультрафиолетовымсветом электродовискровогопромежутка,находящегосяпод напряжением,облегчаетпроскакиваниеискры междуними.

Явление,обнаруженноеГерцом, можнонаблюдать наследующем легкоосуществимомопыте (рис. 1).

ВеличинаискровогопромежуткаFподбираетсятаким образом,что в схеме,состоящей изтрансформатораТ и конденсатораС, искра проскакиваетс трудом (один– два раза вминуту). Еслиосветить электродыF,сделанные изчистого цинка,светом ртутнойлампы Hg,то разрядконденсаторазначительнооблегчается:искра начинаетпроскакиватьРис. 1. Схемаопыта Герца.

Фотоэффектбыл объяснёнв 1905году АльбертомЭйнштейном(за что в 1921году он получилНобелевскуюпремию) на основегипотезыМаксаПланка о квантовойприроде света.В работе Эйнштейнасодержаласьважная новаягипотеза – еслиПланкпредположил,что свет излучаетсятолько квантованнымипорциями, тоЭйнштейн ужесчитал, чтосвет и существуеттолько в видеквантовыхпорций. Изпредставленияо свете как очастицах (фотонах)немедленноследует формулаЭйнштейна дляфотоэффекта:

,

где – кинетическаяэнергия вылетающегоэлектрона, – работа выходадля данноговещества, – частота падающегосвета, – постояннаяПланка, котораяоказалась ровнотой же, что и вформуле Планкадля излученияабсолютночёрного тела.

Изэтой формулыследует существованиекраснойграницы фотоэффекта.Таким образом,исследованияфотоэффектабыли однимииз самых первыхквантово –механическихисследований.

2.Законы Столетова

Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей; фото эффект прекратится.

Экспериментальные исследования показали, что термин «красная граница» не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полу- проводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для, переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости, В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается так- же в том случае, если энергия электрона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.

Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода; электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки - в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом.

Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.

3. Уравнение Энштейна

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0 (или максимальная длина волны 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v < v0 , то фотоэффект уже не происходит. ?

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

К удивлению ученых, величина Uз оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 5.2.3).

Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света

Рисунок 5.2.3.

Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

  1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

    Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения Uз анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением

  2. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально мощности светового потока P.

  3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, то фотоэффект не происходит («красная граница фотоэффекта»)

    У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетовым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается:

чему соответствует красная граница[6].

Кроме того, установлена практическая безинерционностьфотоэффекта: ток немедленно возникает при освещении поверхности тела, при условии, что частота света ν > v0.Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, «красной границы» фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безинерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

Подтверждением правильности формулы

является определение из нее постоянной Планка. Из выражения видно, что задерживающая разность потенциалов Uз линейно зависит только от частоты падающего излучения.

Соответственнодля длины волны получается условие

(4)

Частотаили длина волныназываетсякрасной границей фотоэффекта.

Числовысвобождаемых вследствие фотоэффектаэлектронов должно быть пропорциональночислу падающих на поверхность квантовсвета. Вместе с тем световой поток Фопределяется ко­личеством квантовсвета, падающих на поверхность в единицувремени. В соответствии с этим токнасыщения должен быть пропорционален падающемусветовому потоку:

~Ф (5)

становится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость σ

от ω качественно объясняется тем, что чем больше

по сравнению с

, тем пренебрежимее связь электрона с атомом, а для свободного электрона Ф. невозможен. Вследствие того, что электроны К-оболочки наиболее сильно связаны в атоме и эта связь возрастает с атомным номером

, σ

Ядерный фотоэффект

При поглощении гамма-квантаядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом[4].

Современные исследования

Как показали эксперименты в национальном метрологическом институте Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt, результаты которых опубликованы 24 апреля2009 года в Physical Review Letters[5], в мягком рентгеновском диапазоне длин волн при плотности мощности на уровне нескольких петаватт (1015 Вт) на квадратный сантиметр общепринятая теоретическая модель фотоэффекта может оказаться неверной.

В представленном материале рассмотрено применение фотоэффекта, механизм его возникновения и разновидности. Приведены примеры практического использования явления фотоэффекта в технике.

Поделиться статьей

Комментарии

Комментариев еще не оставлено
В случае ответов Вам придет уведомление