Фотоэффект. Применение фотоэффекта

Подставив (3) в (1), получим

 

,

 

откуда

 

.

 

Таким образом, величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света.

Работу выхода электронов из металла  и постоянную Планка можно определить, построив график зависимости  от частоты падающего света . Как видно, и отрезок, отсекаемый от оси потенциала, дает .

Ввиду того, что интенсивность света  прямо пропорциональна количеству фотонов, увеличение интенсивности падающего света приводит к увеличению числа вырванных электронов, т. е. к увеличению фототока.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта  в неметаллах имеет вид

 

.

 

Наличие – работы отрыва связанного электрона от атома внутри неметаллов – объясняется тем, что в отличие от металлов, где имеются свободные электроны, в неметаллах электроны находятся в связанном с атомами состоянии. Очевидно, при падении света на неметаллы часть световой энергии тратится на фотоэффект в атоме – на отрыв электрона от атома, а оставшаяся часть тратится на работу выхода электрона и сообщение электрону кинетической энергии.

Электроны проводимости не покидают самопроизвольно металл в заметном количестве. Это объясняется  тем, что металл представляет для них потенциальную яму. Покинуть металл удается только тем электронам, энергия которых оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера, имеющегося на поверхности. Силы, обуславливающие этот барьер, имеют следующее происхождение. Случайное удаление электрона от наружного слоя положительных ионов решетки приводит к возникновению в том месте, которое покинул электрон, избыточного положительного заряда. Кулоновское взаимодействие с этим зарядом заставляет электрон, скорость которого не очень велика, вернуться обратно. Таким образом, отдельные электроны все время покидают поверхность металла, удаляются от нее на несколько межатомных расстояний и затем поворачивают обратно. В результате металл оказывается окруженным тонким облаком электронов. Это облако образует совместно с наружным слоем ионов двойной электрический слой (рис. 5; кружки – ионы, черные точки – электроны). Силы, действующие на электрон в таком слое, направлены внутрь металла. Работа, совершаемая против этих сил при переводе электрона из металла наружу, идет на увеличение потенциальной энергии электрона

Таким образом, потенциальная  энергия валентных электронов внутри металла меньше, чем вне металла, на величину, равную глубине потенциальной  ямы . Изменение энергии происходит на длине порядка нескольких межатомных расстояний, поэтому стенки ямы можно считать вертикальными.

Потенциальная энергия  электрона 

и потенциал  той точки, в которой находится электрон, имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что потенциал внутри металла больше, чем потенциал в непосредственной близости к его поверхности, на величину .

Сообщение металлу избыточного  положительного заряда увеличивает  потенциал как на поверхности, так и внутри металла. Потенциальная энергия электрона соответственно уменьшается

За начало отсчета  приняты значения потенциала и потенциальной  энергии на бесконечности. Сообщение  отрицательного заряда понижает потенциал  внутри и вне металла. Соответственно потенциальная энергия электрона возрастает.

Полная энергия электрона в  металле слагается из потенциальной  и кинетической энергий. При абсолютном нуле значения кинетической энергии  электронов проводимости заключены  в пределах от нуля до совпадающей с уровнем ферми энергии . На рис. 8 энергетические уровни зоны проводимости вписаны в потенциальную яму (пунктиром изображены незанятые при 0К уровни). Для удаления за пределы металла разным электронам нужно сообщить не одинаковую энергию. Так, электрону, находящемуся на самом нижнем уровне зоны проводимости, необходимо сообщить энергию ; для электрона, находящегося на уровне Ферми, достаточна энергия .

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода. Работа выхода электрона из металла определяется выражением

                               .                                                                (4)

 

Мы получили это выражение  в предположении, что температура  металла равна 0К. При других температурах работу выхода также определяют как  разность глубины потенциальной  ямы и уровня Ферми, т. е. распространяют определение (4) на любые температуры. Это же определение применяется и для полупроводников.

 

Глава 2. Виды фотоэффектов

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний  и вентильный.

Внешний фотоэффект.

 

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна.

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.

Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.

Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого  быстродействия болометры в оптоэлектронике  не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных (рис. 1.).

Рис. 1. - Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Е_л - уровень ловушки)

Вентильный  фотоэффект.

Электропроводимость чистых и примесных полупроводников не зависит от направления тока. Если создать контакт из полупроводников с различными типами проводимостей, так называемый p–n контакт,  
то он может выполнять роль электрического вентиля, т. е. пропускать ток преимущественно в одном направлении. Схематически  
p–n контакт изображен на рис. 1. 

 

 

 

Рис 1. Схема контакта полупроводников р- и n-типов:

а – р-тип – полупроводник с примесной дырочной проводимостью (р – область контакта),

n-тип – полупроводник с примесной электронной проводимостью (n – область контакта);

б – освещённый  р–n-переход 

При данной температуре  концентрация электронов в -области, где они являются основными носителями, во много раз больше их концентрации в -области, так как в ней они являются не основными носителями > . Аналогичное соотношение справедливо и для дырок > . Различие концентраций приводит к диффузии дырок в -область и электронов в -область, что вызывает появление электрического поля на границе областей с шириной двойного слоя порядка 10^-6 – 10^-7 м напряженностью (рис. 1, а). В области контакта устанавливается динамическое равновесие. Для электронов его можно описать больцмановским распределением частиц в электрическом поле контакта 

                                                                      

,                                             (1)

где , – концентрация свободных электронов в р- и n-областях соответственно; – контактная разность потенциалов электрического поля -перехода.

Из соотношения (1) можно определить величину контактной разности потенциалов

                                                                        

.                                           (2)

Контактная разность потенциалов  характеризует потенциальный барьер, который препятствует свободному перемещению основных носителей заряда дырок в направлении n-области и электронов в противоположном направлении. Это и вызывает различную проводимость контакта в зависимости от направления внешнего поля, т. е. вентильный эффект.

Освещение р-области квантами с энергией > приводит к генерации неравновесных электронно–дырочных пар (рис. 1, б) и, следовательно, к нарушению динамического равновесия (1). Контактная разность потенциалов при этом уменьшается и для освещенного -перехода определяется соотношением.

                                    ,                                        (3)

где – концентрация электронов, генерируемых фотонами при освещении р-области.

Уменьшение потенциального барьера << соответствует увеличению обратной проводимости контакта, т. е. перемещению дырок в  
р-область и электронов в n-область. Кроме того, электрическое поле контакта разделяет генерируемые светом заряды, что нарушает электрическую нейтральность р- и n-областей.

Разность потенциалов  поля разделенных зарядов называют фотоэлектродвижущей силой (фото ЭДС). Возникновение фото ЭДС в р–n-переходе при облучении его светом называется фотовольтаическим эффектом или вентильным фотоэффектом.

На вентильном фотоэффекте основано устройство фотодиода. Величина фото ЭДС фотодиода может быть определена как разность между контактными скачками потенциала неосвещенного и освещенного -перехода [формула (2), (3)]

.                                  (4) 

В зависимости от схемы включения, которые представлены на рис. 5, фотодиоды могут работать в двух режимах; фотовольтаическом и фотодиодном

Рис.2. Схемы включения фотодиода:  
а – фотовольтаический режим; б – фотодиодный режим 

 

Фотодиодный режим работы использует зависимость обратной проводимости фотодиода  от освещения. Эта зависимость аналогична зависимости от освещения проводимости фотосопротивления (2.9). В фотовольтаическом режиме фотодиод выполняет роль генератора фото ЭДС. 

 

,                                  (5) 

 

где – коэффициент, учитывающий характеристики перехода.

 

Глава 3. Применение явления фотоэффекта

 

Приборы, в основе принципа действия которых лежит  явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее  устройство. Внутренняя поверхность  стеклянного баллона, из которого выкачан  воздух, покрыта светочувствительным  слоем  с небольшим прозрачным для света участком - "окном"  для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое  кольцо . От электродов сделаны выводы для подключения фотоэлемента к  электрической цепи В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют  в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера  рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент. Фотореле состоит из фотоэлемента , усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод , и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока  а на триод - от источника тока . Ток накала триода создают источником тока - Между сеткой и катодом триода включен нагрузочный резистор .

Когда фотоэлемент  освещен, в его цепи, содержащей резистор , идет ток. На резисторе происходит падение напряжения, вследствие чего потенциал сетки триода значительно  меньше потенциала катода и лампа  заперта.

Если же поток  света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, падение напряжения на резисторе  становится равным нулю и лампа отпирается. Через обмотку электромагнитного  реле идет анодный ток, реле срабатывает и его контакты замыкают исполнительную цепь, функциями которой могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека; выдвигание преграды в турникете метро и т.д.