Внутренний фотоэффект в металлах

Обновлено: 17.05.2024

Измерение спектральной зависимости фотопроводимости кристаллического полупроводника.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект — это эффект ионизации полупроводника под действием света, приводящий к образованию добавочных неравновесных носителей заряда. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным процессом является поглощение фотона с энергией, достаточной для возбуждения электрона в зону проводимости (переходы 1 и 2 рисунок 1) или на локальные уровни энергии (переход 3 рисунок 1), расположенные в запрещённой зоне полупроводника. Переход 1 приводит к образованию пары электрон – дырка, тогда как в результате переходов 2 и 3 образуются носители только одного знака.

Рисунок 1 —

Если оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости, то наблюдается собственная фотопроводимость, которую создают носители обоих знаков. При этом, очевидно, энергия фотона hυ должна быть не меньше ширины запрещённой зоны полупроводника (hυ>ΔΕ).

Для кристаллической решётки справедлив закон сохранения полного волнового числа К, соответствующий прямым и непрямым оптическим переходам. Если переход электрона осуществляется при взаимодействии фотона и электрона, то имеет место прямой (вертикальный) оптический переход (переход 1 рисунок 2). Однако в кристаллической решётке значительную вероятность имеет и более сложный процесс: взаимодействие фотона, электрона и фонона (кванта колебаний кристаллической решётки). В результате такого взаимодействия электрон приобретает в основном энергию фотона и изменяет своё волновое число за счёт фонона (переход 2 рисунок 2). Такие переходы называют непрямыми (невертикальными) оптическими переходами.

Рисунок 2 —

При наличии сложной энергетической зоны прямым оптическим переходам может соответствовать энергия, большая, чем энергия термических переходов. Поскольку вероятность непрямых оптических переходов меньше вероятности прямых переходов, то в спектрах поглощения энергия фотонов, соответствующих прямым переходам, должно наблюдаться более или менее резкое возрастание поглощения и, следовательно, фотопроводимости.

Собственная полоса поглощения, всегда имеющая отчётливо выраженную длинноволновую границу, в принципе может иметь и коротковолновую. Однако во многих случаях зона проводимости перекрывается вышележащими разрешёнными зонами, образуя сплошной спектр. Поэтому спектр поглощения и спектральная зависимость внутреннего фотоэффекта простирается далеко в коротковолновую область. Вместе с тем при больших энергиях фотонов (hυ>2ΔΕ) фотопереход электрона в зону проводимости может сопровождаться эффектом ударной ионизации, приводящей к освобождению нескольких электронов и дырок. Таким образом теория внутреннего фотоэффекта сводится к теории поглощения лишь в некоторой области спектра вблизи длинноволнового края собственной полосы поглощения.

Неравновесные электроны и дырки, образованные в результате взаимодействия с фотонами достаточно больших энергий, сразу же после процесса ионизации могут иметь энергии значительно большие, чем средняя энергия равновесных носителей, которая по порядку величины равна кТ. Однако в результате взаимодействия с фотонами и дефектами кристаллической решётки неравновесные носители заряда быстро приобретают температуру решётки, и их энергия становится равной средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. Этот процесс происходит за время порядка 10 -10 секунд, которое называют временем релаксации носителей заряда. Как правило, время жизни неравновесных носителей заряда значительно превосходит эту величину, составляя 10 -2 – 10 -7 секунд, и следовательно, большую часть времени жизни до рекомбинации их кинетическая энергия соответствует средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. Поэтому можно считать, что распределение по энергиям неравновесных носителей заряда в зонах является таким же, как равновесных. Значит и подвижности m неравновесных носителей не отличаются от подвижности равновесных, так как подвижности электронов m_n и дырок m_р определяются характером взаимодействия носителей заряд с решёткой и зависят, в частности, от распределения носителей по энергиям.

Итак, генерация носителей заряда под действием света приводит к изменению электропроводности s полупроводника, которая при наличии неравновесных электронов Dn и дырок Dр может быть записана в виде:

где n₀ и р₀ — концентрации равновесных электронов и дырок.

Избыточная (неравновесная проводимость), равная разности проводимостей полупроводника при наличии (s) и в отсутствии (s₀) освещения, представляет собой фотопроводимость (s_ф):

Естественно, что концентрации неравновесных носителей Dn и Dp зависят от интенсивности и длительности освещения полупроводника.

Таким образом, скорость генерации носителей Dn’ и Dp’ пропорциональная величине κj. Для области фундаментального поглощения

Коэффициент пропорциональности b называют коэффициентом квантового выхода, так как он определяет число пар носителей заряда (или число носителей заряда при примесной фотопроводимости), образуемых одним поглощённым квантом света, если интенсивность света j измерять числом квантов в секунду. Обычно коэффициент квантового выхода b не превышает единицы.

При непрерывном освещении полупроводника светом постоянной интенсивности устанавливается стационарное состояние, характеризующееся постоянной концентрацией неравновесных носителей заряда Dn и Dp. Найдём зависимость Dn и Dp от времени t и определим стационарные значения концентраций неравновесных носителей заряда, считая интенсивность света постоянной во всём объёме образца, что приводит к однородной генерации носителей заряда.

Сразу же после начала освещения, по мере увеличения концентрации неравновесных носителей заряда освещения, по мере увеличения концентрации неравновесных носителей заряда начинает увеличиваться интенсивность процесса рекомбинации. Поскольку скорость генерации неравновесных носителей заряда остаётся постоянной при постоянной интенсивности освещения, то интенсивность рекомбинации скоро достигает интенсивности процесса генерации носителей, и устанавливается стационарное состояние неравновесной концентрации фотоносителей.

Второй член правой части этого уравнения учитывает уменьшение концентрации неосновных носителей заряда в результате процесса рекомбинации. Интенсивность рекомбинации можно считать пропорциональной концентрации неравновесных носителей только в том случае, если время жизни неравновесных носителей (одинаковое для электронов и дырок) t не зависит от их концентрации.

Данное условие реализуется, когда концентрация неравновесных носителей Dn, Dp мала по сравнению с концентрацией равновесных основных носителей заряда (например Dp=Dn0), так как при этом изменение концентрации основных носителей под действием освещения можно пренебречь и считать её постоянной. Этот случай имеет место, например, в примесном полупроводнике при генерации фотоносителей в области фундаментального поглощения при такой температуре, когда вся примесь ионизирована.

Найдём решение уравнения (!), считая, что Dp=Dn0 и р₀>>n₀ и что полупроводник начинает освещаться в момент времени t=0 светом постоянной интенсивности. Тогда, разделяя переменные и интегрируя с учётом начального условия Dn=0 при t=0, получаем:

Dn=tbkj(1-e -t/ t ). (2)

Установившееся значение неравновесной концентрации электронов Dn₀ определяется при t®¥:

Если, наоборот, в образце создана стационарная концентрация неравновесных носителей Dn₀ и в момент t=0 производится включение света, то концентрация неравновесных носителей заряда спадает до нулевого значения по закону:

Dn=Dn₀е -t/ t =tbkj е -t/ t .

Таким образом, релаксация (то есть нарастание и спад) неравновесной концентрации носителей заряда при мгновенном включении и выключении света происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени t, соответствующей жизни неравновесных носителей заряда.

Полученные аналитические зависимости для нарастания концентрации неравновесных носителей заряда позволяют определить закон изменения неравновесной стационарной проводимости (концентрации) от интенсивности освещения, то есть так называемые люксамперные характеристики. При линейном законе рекомбинации, когда время жизни неравновесных носителей заряда не зависит от интенсивности освещения, люксамперная характеристика линейна, так как в соответствии с уравнением (3) стационарная неравновесная концентрация Dn₀ пропорциональная интенсивности света j.

Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации и диффузии носителей заряда

где S — скорость поверхностей рекомбинации (в предположении, что S невелико);

d — размер образца в направлении освещения.

Из (4) видно, что если St>d, то фотопроводимость оказывается в (2 St)/ d раз меньше, чем фотопроводимость при S=0, и определяется только условиями рекомбинации носителей заряда на поверхности

Наличие процесса поверхностной рекомбинации может сказать влияние не только на стационарное значение фотопроводимости, но и на спектральную зависимость фотопроводимости. Качественно это можно пояснить следующим образом. При измерении спектральной зависимости фотопроводимости в области края фундаментального поглощения, где коэффициент поглощения к(l) сильно возрастает (до 10 4 – 10 5 см -1 ) сказываются два конкурирующих процесса. Один из них приводит к увеличению фотопроводимости за счёт увеличения коэффициента поглощения к(l), при условии, что образец освещается монохроматическим светом при постоянном потоке фотонов. Второй процесс состоит в относительном увеличении концентрации электронов вблизи поверхности, также за счёт увеличения , которые имеют меньшее время жизни, чем носители в объёме. Эти процессы могут привести к тому, что в спектральной зависимости фотопроводимости будет наблюдаться максимум фотопроводимости на краю фундаментального поглощения (рисунок 3). Очевидно, что тем больше скорость поверхностной рекомбинации тем сильнее будет выражен максимум фотопроводимости.

s_ф

Теперь рассмотрим случай, когда падающее излучение поглощается неравномерно по толщине α образца и имеет место диффузия носителей заряда. Будем считать образец толстым, так что d>>1/k и d>>L (L биполярная диффузионная длина). Условие kd>>1 указывает на то, что почти все излучение поглощается в тонком поверхностном слое образца и интенсивностью излучения, отражённого от неосвещённой поверхности образца, можно пренебречь. В этом случае интенсивность излучения j’ внутри образца описывается уравнением:

где R_s — коэффициент отражения от поверхности полубесконечности образца;

j — интенсивность падающего света.

где Д — коэффициент биполярной диффузии элекронов и дырок q=bkj’.

Соответствующим решением уравнения (6) будет функция:

Dр(х)=Ае - x/L +Be -kx , (7)

где L=(Дt) 1/2 — биполярная диффузионная длина.

Тогда распределение носителей заряда по образцу можно записать в виде:

Необходимо отметить, что если kL>>1, то избыточные носители проникают на значительно большую глубину, чем излучение, и глубина их проникновения по порядку величины равна диффузионной длине L. Интегрируя (8) по Х, можно определить полную концентрацию избыточных носителей заряда Δр, принимающих участие в фотопроводимости образца в направлении у (третий размер образца в направлении Z считаем равным 1):

Отсюда видно, что полная концентрация избыточных носителей пропорциональна полному числу фотонов, поглощённых единицей поверхности образца.

0,2 0,4 0,6 0,8 hn(эВ)

На рисунке 4 показаны спектральные поглощения интенсивность генерации носителей bkj изменяется нелинейно с изменением интенсивности света, так как коэффициент поглощения не остаётся постоянным (к зависит от j), а уменьшается с увеличением интенсивности света из-за заметного опустошения примесных центров. Поэтому люксамперная характеристика в области примесной фотопроводимости будет линейна лишь при малых интенсивностях света, и будет достигать насыщения для больших интенсивностей света при полном опустошении примесных центров.

Зависимость коэффициента к(j) в примесной области от интенсивности излучения имеет также важное значение в процессах релаксации примесной фотопроводимости. В простом случае возбуждения примесной фотопроводимости связано с появлением свободных носителей только одного знака, тогда как заряды противоположного знака остаются локализированными на атомах примеси. Поэтому процессы совместной диффузии и дрейфа пар электрон-дырка в условиях электронейтральности не могут иметь места.

Характеристикой процесса диффузии является не диффузионная длина, а дебаевская длина экранирования. При концентрациях носителей заряда, характерных для таких материалов, как германий и кремний, дебаевская длина экранирования весьма мала (10 -6 – 10 -4 см), и, следовательно, процессы диффузии носителей заряда при их неоднородной генерации можно не учитывать.

Лабораторная работа №6

«Изучение фотопроводимости полупроводников»

Измерительная установка и методика измерений

Принципиальная схема измерительной установки для исследований фотопроводимости представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.— Принципиальная схема измерительной установки

Свет от источника Л с помощью оптической системы фокусируется на входную щель S1 монохроматора МХ. Световой поток можно модулировать механическим модулятором М и ослаблять с помощью фильтров Ф. Из выходной щели S2 монохроматора излучение направляется на образец полупроводника и полностью в нём, вызывая фотопроводимость. Электрический сигнал, возникающий на нагрузочном сопротивлении Rн в цепи образца измеряется ламповым вольтметром ЛВ.

Источником света в измерительной установке служит вольфрамовая лампа накаливания.

Модулятор света представляет собой диск с вырезами, который вращается электромотором. Частота модуляции света определяется числом оборотов электромотора и числом вырезов в диске.

Последовательно с образцом, сопротивление которого в темноте, включена батарея с напряжением U и нагрузочное сопротивление Rн. При освещении образца модулированным светом на сопротивлении нагрузки возникает переменный сигнал, который усиливается усилителем и измеряется вольтметром.

Найдём соотношение между переменным сигналом U, возникающим на Rн и изменением электропроводности образца Δσ под действием света. Пусть сопротивление образца уменьшается при освещении на Δr тогда ток в цепи образца при освещении i_с и в темноте i_т равен:

Определяя Δr из (10), а затем выражая Δr через Δσ получим:

Таким образом, переменное напряжение U на сопротивлении нагрузки пропорционально изменению электропроводности образца.

Порядок выполнения работы

1. Включить установку и сфокусировать оптическую систему по максимальному сигналу образца. Образец должен быть равномерно освещён монохроматическим светом при минимально возможном расстоянии до выходной щели монохроматора.

2. Измерить спектральную зависимость фотопроводимости в относительных единицах U(λ), проводя измерения через 50 0 шкалы барабана. Результаты измерений занести в таблицу и построить график в произвольном масштабе.

3. С помощью неоновой лампочки отградуировать шкалу барабана. Жёлтая линия спектра неона соответствует λ=5852,5А, красная — 6402,2А.

4. Определить ширину запрещённой зоны полупроводникового материала, воспользовавшись для этого спектральным положением максимума фотопроводимости.

1. Что такое внутренний эффект?

2. Что такое прямые и направленные переходы электронов?

3. Дайте определение времени релаксации носителей заряда.

4. Какой физический смысл имеет понятие квантовый выход?

5. Как изменяется неравновесная концентрация носителей при включении-выключении света, если Dt®0?

6. Дайте понятие эффективного времени жизни.

7. Что такое дебаевская длина экранирования.

1. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. Под ред. К. В. Шалимовой.-М.: Высшая школа, 1968.-87-97с.

2. Павлов Л. П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов.-М.: Высшая школа, 1975.-125-128, 132-141с.

Фотоэффект в физике: что это такое, формулы, виды, применение

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – это физический процесс, в котором электроны взаимодействуют со светом или любым другим электромагнитным излучением. В этой статье вы узнаете о физических основах фотоэлектрического эффекта. Мы также объясним три вида этого явления и два экспериментальных метода его обнаружения.

Фотоэлектрическое явление – один из тех эффектов, открытие которого стало результатом упорного труда и многочасовых лабораторных исследований многих ученых. До того как Альберт Эйнштейн объяснил этот эффект, введя понятие квантов, то есть порций энергии, многие исследователи, среди которых были Генрих Герц и Александр Столетов, тщательно изучали различные аспекты этого явления. По всей вероятности, никто из них не предполагал, какое практическое значение будет иметь их работа.

Простое объяснение фотоэффекта

Атомы или молекулы содержат связанные электроны. Когда свет попадает на молекулы или отдельные атомы, при определенных условиях возможно взаимодействие электронов со светом. Чтобы понять фотоэлектрический эффект, мы представляем свет как частицу (называемую фотоном). Фотон обладает энергией E, которую можно вычислить по частоте f света: E = h * f .

Здесь h – постоянная Планка. Эта энергия поглощается электроном. Вы можете представить этот перенос энергии как поглощение фотона электроном. Минимальная энергия, которую электроны должны поглотить, является их энергией связи, или, более точно, работой выхода W_A. Только после этого электрон может освободиться от атома или металла. Высвобожденные электроны могут быть измерены в виде электрического тока.

Виды фотоэффекта

Существует три различных разновидности фотоэлектрического эффекта, с которыми мы познакомим вас далее.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэлектрический эффект – это явление эмиссии электронов из металла под воздействием падающего электромагнитного излучения. Механизм явления заключается в том, что фотоны излучения передают свою энергию электронам, что приводит к их эмиссии за пределы металла. Максимальная кинетическая энергия электрона равна энергии фотона минус работа выхода. Работа выхода – это энергия связи электрона в металле, обычно порядка нескольких электрон-вольт.

Более подробное объяснение.

Когда фотоны попадают в металл или полупроводник, они передают свою энергию электронам. Часть энергии необходима для того, чтобы освободить электроны от атомной связи и позволить им уйти с поверхности металла (работа выхода W_A). Это взаимодействие называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Остаточная энергия служит для ускорения электронов. Энергетическое соотношение следующее: h * f = E_kin + W_A , где

где E_kin – это кинетическая энергия высвобожденных электронов. Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона описывается формулой: E_kin = h * f – W_A

Мы видим, что должна существовать граничная частота f_гр, выше которой электроны вообще не могут быть освобождены. Это следует из уравнения: h * f_гр = W_A и зависит от материала. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько эВ.

Альберт Эйнштейн изучил внешний фотоэлектрический эффект с помощью квантования света. Таким образом, внешний фотоэлектрический эффект представляет собой важную веху в развитии квантовой механики.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэлектрический эффект также основан на передаче энергии фотонов электронам. Однако они не покидают материал, в котором находятся, а изменяют электронную оболочку в атоме. Это может привести к изменению проводимости материала и, следовательно, протеканию электрического тока.

Более подробное объяснение.

Внутренний фотоэффект возникает в полупроводниках – материалах, электропроводность которых меньше, чем у проводников, и больше, чем у изоляторов. Чтобы лучше понять его механизм, давайте вспомним зонную теорию проводимости. Электронные энергетические уровни в полупроводниках относятся к двум группам – валентной зоне и зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены возбужденной областью. Электроны с энергией в валентной зоне связаны в атомах и не участвуют в протекании электрического тока. Электроны с энергией, принадлежащей зоне проводимости, свободны и могут двигаться под действием приложенного напряжения, т.е. проводить электрический ток.

Изменение энергии электрона от энергии валентной зоны до энергии зоны проводимости при поглощении энергии фотона электромагнитного излучения называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.

В результате полоса проводимости обогащается свободным носителем отрицательного заряда – электроном, а валентная зона обогащается электронной дыркой, т.е. вакансией, оставленной электроном, которая также участвует в протекании электрического тока. Это увеличивает проводимость материала.

Для того чтобы электроны поднялись в полосу проводимости, энергия облученного света должна быть больше, чем ширина запрещённой зоны E_gap : h * f > E_gap . Ширина запрещённой зоны относится к разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости.

Полупроводник, состоящий из одного чистого материала, называется собственным полупроводником. В таких материалах число отрицательных носителей заряда в зоне проводимости – электронов – равно числу положительных зарядов в валентной зоне – дырок. На практике, однако, часто используются легированные полупроводники, т.е. обогащенные небольшим количеством другого материала. В зависимости от типа легирующего элемента различают два типа полупроводников: n-типа и p-типа. В полупроводнике p-типа преобладают дырки. Важно помнить, что речь идет только о носителях заряда, участвующих в проведении электричества, весь кристалл электрически нейтрален.

Внутренний фотоэффект также имеет место в солнечных батареях. Когда свет попадает на пограничный слой солнечного элемента (очень тонкая область на поверхности с электрическим полем), электроны высвобождаются из кристаллической связи и движутся в электрическом поле. Этот электрический ток может быть воспринят потребителем и вызывает фотонапряжение.

Молекулярный фотоэффект / атомный фотоэффект

Если облученные фотоны высвобождают электрон из отдельных атомов или молекул, они электрически заряжаются или ионизируются недостающим электроном. Это называется фотоионизацией и наблюдается, например, с помощью рентгеновских лучей. Для молекулярного фотоэлектрического эффекта требуется гораздо более высокочастотный свет, поскольку электроны прочно связаны в атомах.

Формула фотоэлектрического эффекта

Мы используем следующее соотношение для расчета физических величин: h * f = E_kin + W_A

Если свет обладает энергией, достаточной для выброса электронов, мы можем вычислить граничную частоту по следующей формуле: f_гр = W_A / h .

Используя формулу для кинетической энергии, мы определяем скорость освобожденных электронов по формуле:

Методы обнаружения фотоэффекта

Далее мы покажем вам два метода обнаружения фотоэлектрического эффекта и, следовательно, выхода электронов.

Метод встречного поля

В методе встречного поля металлический катод облучается монохроматическим светом с частотой f. Без приложенного напряжения можно обнаружить фототок. Если приложить противодействующее напряжение U_G так, чтобы катод был заряжен положительно, а анод – отрицательно, то электроны, высвобождаемые внешним фотоэлектрическим эффектом, замедляются. Необходимая для этого работа: W = e * U_G .

Рис. 1. Фотоэффект: метод встречного поля

Если напряжение настолько велико, что электроны не достигают анода, то применяется следующее соотношение: Ekin = e * U_G .

Встречное поле полностью компенсирует кинетическую энергию электронов. Из этой зависимости мы можем определить скорость электронов. Метод встречного поля также дает нам возможность определить постоянную Планка h. При известной работе выхода, h можно найти из уравнения: h * f = e * U_G + W_A

Стержень с фотоэффектом

Мы можем воспроизвести фотоэлектрический эффект в эксперименте со стержнем из ПВХ и металлической пластиной, подключенной к электрометру. Если стержень отрицательно заряжен в результате трения, то он имеет избыток электронов. Металлическая пластина нейтральна, электрометр не отклоняется.

Рис. 2. Стержневой метод – начальное состояние

Если привести стержень в контакт с пластиной, то избыточный заряд в стержне уравновесится. В результате на пластине появляется избыток электронов, и электрометр показывает отрицательное значение.

Рис. 3. Компенсация избыточного заряда в стержне

Если облучать металлическую пластину лампой с парами ртути, электрометр становится положительным. Электроны высвобождаются из пластины под действием внешнего фотоэлектрического эффекта. В металлической пластине не хватает электронов.

Рис. 4. Облучение металлической пластины

Применение фотоэффекта

Сегодня внешний и внутренний фотоэлектрический эффект лежат в основе таких распространенных устройств, как фотоэлементы, солнечные батареи или ПЗС-матрицы.

Фотоэлемент.

Рис. 5. Фотография фотоэлемента в 1940-х годах. Источник фото: Antonio Pedreira [Public domain], via Wikimedia Commons]

Наиболее распространенным устройством, использующим внешнее фотоэлектрическое явление, является фотоэлемент. Первые фотоэлементы были разработаны еще в 1890-х годах и начали широко использоваться в первой половине 20-го века. Простейший фотоэлемент состоит из двух электродов, катода и анода, помещенных в вакуумную колбу.

Между электродами прикладывается напряжение так, чтобы катод был соединен с положительным полюсом питающего напряжения. Если электромагнитное излучение не попадает на катод, электрический ток в цепи не течет. Когда катод освещается излучением с энергией фотонов, превышающей работу выхода материала катода, электроны выбиваются из катода и мигрируют к аноду, вызывая протекание электрического тока. Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток.

Схемы, содержащие фотоэлемент, могут использоваться, например, для освещения уличных фонарей. Лампы загораются в сумерках. Механизм, заставляющий их светиться, реагирует на отсутствие света, то есть на прекращение протекания электрического тока в цепи, содержащей фотоэлемент. Пример такой схемы представлен на рис. 6.

Рис. 6. Схема уличного фонаря, который автоматически загорается после наступления темноты

Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток. В цепи находится электромагнит. Если через электромагнит проходит электрический ток, создаваемое магнитное поле притягивает рычаг выключателя, размыкая цепь лампы, и лампа выключается. Когда свет прерывается, электрический ток в цепи фотоэлемента прекращается, электромагнит выключается, цепь лампы замыкается, и лампа окончательно зажигается.

Фотоэлектронный умножитель.

Рис. 7. Фотоумножитель. Источник фото

Фотоумножители – это устройства, используемые для измерения света. Чаще всего они подключаются к сцинтиллятору, который представляет собой материал, поглощающий ионизирующее излучение (например, гамма- или бета-излучение) и испускающий видимый или ультрафиолетовый свет. Излучаемый свет поглощается фотоумножителем и преобразуется в электрический сигнал.

Сцинтиллятор в сочетании с фотоумножителем представляет собой детектор ионизирующего излучения, т.е. устройство, которое поглощает ионизирующее излучение и генерирует электрический сигнал в зависимости от поглощенного излучения.

Устройство фотоумножителя очень похоже на устройство вакуумного фотоэлемента. Его важнейшими элементами являются фотокатод, где происходит внешний фотоэлектрический эффект, и анод, где накапливается заряд. Кроме того, в области между катодом и анодом находится ряд электродов, задача которых – усилить заряд, то есть увеличить количество электронов, попадающих на анод. Эти электроды называются динодами. Все три типа электродов помещаются в сильное электрическое поле. Механизм работы фотоумножителя показан на рис. 8.

Рис. 8. Схема построения фотоумножителя.

Фотоны света, испускаемые сцинтиллятором, достигают фотокатода, вызывая эмиссию электрона под действием внешнего фотоэлектрического явления. Электрон ускоряется в электрическом поле, что приводит к увеличению его кинетической энергии.

При столкновении с динодом электрон вызывает испускание нескольких вторичных электронов, которые также ускоряются и также умножаются при столкновении с другим динодом. Количество электронов увеличивается экспоненциально, так что конечный электрический сигнал, достигающий анода, может быть измерен.

Фотоумножители характеризуются высокой чувствительностью. Это означает, что их можно использовать для измерения света очень низкой интенсивности. В этом отношении они явно превосходят ПЗС-матрицы.

Фотоэлектрический (солнечный элемент).

Фотоэлектрический элемент – это устройство, в котором энергия фотона света преобразуется в электрическую энергию.

В солнечных батареях используются p-n-переходы. Фотоны, падающие на границу раздела полупроводников, вызывают выбивание электронов из валентного слоя в слой проводимости, т.е. образуется электронно-дырочная пара. Из-за пространственного распределения зарядов на p-n-переходе электроны диффундируют к полупроводнику n-типа, а дырки диффундируют к полупроводнику p-типа и остаются там. Накопление заряда создает разность потенциалов на границе раздела, т.е. электрическое напряжение. В этом процессе энергия солнечного света напрямую преобразуется в электрическую энергию. Поэтому он является отличным источником электрической энергии. Однако стоит помнить, что для хранения электрической энергии требуются батареи.

ПЗС-матрица.

ПЗС-матрица – это светочувствительный элемент, который вытеснил традиционную фотопленку, открыв путь к созданию и распространению цифровой фотографии. Матрица состоит из множества полупроводниковых пикселей размером около десятка квадратных миллиметров. Свет, падающий на полупроводниковый пиксель, приводит к выбиванию электрона из валентной зоны. На каждый пиксель наносится электрод для сбора и хранения заряда.

Размер заряда зависит от интенсивности света, освещающего пиксель. Сама ПЗС-матрица не различает цвета. Эта функция реализуется с помощью цветовых фильтров с тремя основными цветами – красным, зеленым и синим. Важным параметром для ПЗС является их квантовая эффективность, которая определяет, какой процент падающего света улавливается. Современные матрицы имеют квантовую эффективность 70%, что более чем в 10 раз выше, чем у традиционной фотопленки.

Пример задачи по фотоэффекту

Мы облучаем вольфрамовую пластину (работа выхода W_A = 4,6 эВ) монохроматическим светом с частотой f = 6,75 * 10 15 Гц. Мы хотим узнать, достаточно ли энергии света для высвобождения электронов из пластины?

Для этого мы вычисляем граничную частоту:

f_гр = W_A / h = 4,6 эВ / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 7,37 * 10 -19 Дж / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 1,11 * 10 15 Гц

Частота облучаемого света превышает это значение. Поэтому электроны высвобождаются в результате фотоэлектрического эффекта. Скорость этих электронов составляет:

Внутренний фотоэффект и его применение в жизни: явление, устройства

Внешний фотоэлектрический эффект открыл А. Беккерель в 1839 г. У. Смит в 1873 г. наблюдал явление изменения фотопроводимости селена при поглощении электромагнитных волн: от видимого излучения (света) до рентгеновских лучей. Кратко рассмотрим, что называют внутренним фотоэффектом, где он используется на практике.

Явление внутренний фотоэффект

Внешняя фотоэлектронная эмиссия или фотоэлектрический эффект – процесс испускания носителей электрического заряда – электронов, вызванный облучением проводника электромагнитными волнами. Электронам при этом придаётся дополнительная энергия, вследствие чего электропроводность материала возрастает. Этого импульса достаточно для отрыва поверхностных электронов и их вылета в окружающее пространство.

Внутренний фотоэффект в полупроводниках вызывается электромагнитным облучением токопроводящего материала. Электроны при этом не покидают пределы полупроводника. Вследствие повышения концентрации носителей электрического тока проявляется фотопроводимость либо ЭДС.

Эксперименты и наблюдения за явлением позволили выявить ряд его закономерностей:

Число выделяемых во внешнюю среду носителей электрического заряда с металла напрямую зависит от количества поглощённой за это время волновой энергии.
Пиковая кинетическая энергия фотоэлектронов растёт параллельно с частотой поглощаемых лучей, их интенсивность ни на что не влияет.
Безинерционность – фотоэлектронная эмиссия запускается синхронно с началом облучения (освещения) проводника.
Для всех металлов существует наименьшая частота v_min – красная граница фотоэффекта, при энергии ниже которой фотоэлектронная эмиссия не протекает (v v_min.

Существует вентильный фотоэффект – появление ЭДС при освещении пары полупроводников без внешнего электромагнитного поля.

Применение фотоэффекта в технике: где используется, примеры

Фотоэлектронная эмиссия имеет практическое значение. Сферы применения фотоэффекта:

Фотореле – распространены для автоматизации, удалённого управления устройствами, сигнализации. Устанавливаются на прессы, станки и штампы для предотвращения травматизации на производстве.
Фотоэкспонометры – составляющая люксметров – приборов для измерения уровня освещённости.
Фоторезисторы – изменяют проводимость под действием света.
Вакуумные фотоэлементы распространены в конструкциях «умных» или автоматических дверей – подошедший к ним человек перекрывает свет, вследствие реакции на это дверь открывается.
Солнечные батареи – вентильный фотоэффект позволяет преобразовывать свет в электричество в области p-n переходов без посредников.
Фотосенсоры видеокамер, камер смартфонов, фотоаппаратов.
Фотоэлектронные умножители – устройства для усиления и измерения биолюминесценции.
Электронно-оптический преобразователь – управляет яркостью, преобразовывает картины из одного спектра в другой.

Фотоэлементы – технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта – распространены в аэронавигации, космонавтике, военном деле, автоматике – позволяют управлять электрическими схемами и устройствами посредством световых пучков. Вентильные фотоэлементы помогают «увидеть» объекты, излучающие инфракрасные лучи сквозь непроходимые для оптических лучей объекты – приборы инфракрасного видения.

Внутренний фотоэффект

Фотоэффект — это выбивание электронов из атомов под действием света. Существует внешний и внутренний фотоэффект. Кратко поговорим о внутреннем фотоэффекте, узнаем, кем открыт, его особенности и характеристики.

Открытие фотоэффекта

Итак, фотоэффект бывает внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте электроны выходят из вещества либо в вакуум, либо в газовую среду, окружающую вещество. При внутреннем фотоэффекте электроны остаются в веществе. Исторически первым был открыт внутренний фотоэффект, поскольку оборудование для его наблюдения появилось раньше.

Впервые проявление фотоэффекта — фотогальванический эффект — наблюдал А. Беккерель в 1839 г. При освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, гальванометр начинал регистрировать ЭДС. Фотоэффект в твердом веществе — селене — открыл У. Смит, занимавшийся поиском проводников с высоким удельным сопротивлением. При исследовании селеновых образцов в 1873 г. было замечено, что их сопротивление существенно меняется при измерениях. Заинтересовавшись этим явлением, У. Смит выяснил, что сопротивление селена уменьшается при освещении его светом. В 1883 г. Ч. Фритс создал первый селеновый фотоэлемент.

Свойства внутреннего фотоэффекта

Теория внешнего фотоэффекта была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. Согласно ей свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Излучение или поглощение фотона возможно только целиком. Причем энергия фотона пропорциональна его частоте. При внешнем фотоэффекте эта энергия частично тратится на разрыв связей электрона в атоме (работа выхода $A_$), а оставшаяся часть — это кинетическая энергия электронов, покинувших вещество:

Эта формула применима и ко внутреннему фотоэффекту. Точно так же энергия фотона затрачивается на работу выхода, но остаток энергии переходит не в кинетическую энергию электронов, вылетевших из вещества, а на создание разности потенциалов в веществе.

Для внутреннего фотоэффекта, как и для внешнего, существует красная граница — частота, ниже которой энергии фотона недостаточно, чтобы совершить работу выхода. Фотоэффект при этом исчезает.

Применение внутреннего фотоэффекта

Первоначально стал использоваться внешний фотоэффект. Вакуумные фотоэлементы нашли широкое применение в кино, обеспечивая звуковое сопровождение фильмов.

С развитием полупроводниковой электроники более широкое применение получил внутренний фотоэффект.

Вначале получили распространение полупроводниковые фотоэлементы и фоторезисторы. В них электроны, выбитые из атомов, лишь меняют проводимость вещества. С помощью таких приборов проводилось определение степени освещенности.

В последние десятилетия все шире стали применяться приборы, в которых энергия выбитых электронов создает разность потенциалов и далее используется для полезной работы, — солнечные батареи.

Солнечная батарея — это множество полупроводниковых элементов, каждый из которых имеет два слоя с разной проводимостью. На границе между слоями образуется потенциальный барьер, который могут преодолевать электроны, выбитые из атомов светом. В результате на концах элемента появляется разность потенциалов. Каждый элемент дает напряжение порядка десятых долей вольта. Для получения высоких напряжений и мощностей множество элементов связываются в последовательно-параллельные батареи.

Что мы узнали?

Внутренний фотоэффект — это выбивание электронов из атомов вещества при облучении их светом, при котором электроны остаются внутри вещества. Теория фотоэффекта была создана А. Эйнштейном. Внутренний фотоэффект широко применяется в полупроводниковых элементах и солнечных батареях.

Фотоэффекты

В современном мире множество приборов и устройств используют явление, которое называется фотоэффектом. В первую очередь фотоэффект находит применение в фото и видео. Кратко познакомимся с сутью этого явления, приведем формулу фотоэффекта.

Во второй половине XIX в. Г. Герц исследовал условия возникновения электрического пробоя промежутка между электродами. Было обнаружено, что пробой (возникновение искры) сильно облегчается, если освещать электроды ультрафиолетовым излучением. Это явление было названо фотоэффектом. Г. Герц опубликовал результаты своих наблюдений, однако никакого объяснения им он не дал. Первым исследователем, тщательно изучившим фотоэффект, был А. Столетов. Он же разработал первую теоретическую модель фотоэффекта.

Схема опыта А. Столетова следующая. Используется запаянная колба с вакуумом, в которую введены два электрода. К электродам подключено внешнее напряжение, катод может освещаться через специальное кварцевое окно (обычное стекло задерживает ультрафиолетовые лучи). Для определения тока в цепи используется амперметр.

Рис. 1. Опыт Столетова: фотоэффект.

Если катод затемнен, ток в цепи не идет. Освещение катода приводит к появлению тока, даже если напряжение между электродами равно нулю. При увеличении этого напряжения ток сперва растет, а потом достигает насыщения и далее остается постоянным. При подаче обратного напряжения ток начинает уменьшаться, пока не уменьшится до нуля.

На основе наблюдений А. Столетов вывел закон фотоэффекта: сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Рис. 2. График фототока от напряжения.

Объяснение фотоэффекта

С открытием электрона стало ясно, что фотоэффект — это выбивание электронов из вещества. Причем фотоэффект может быть внешним — когда электроны покидают вещество, — а может быть внутренним — когда электроны остаются внутри вещества, лишь меняют свое энергетическое состояние.

Кроме того, было открыто важное свойство фотоэффекта: кинетическая энергия выбитых электронов не зависела от интенсивности облучения. Но она зависела от его частоты. И при некоторой частоте фотоэффект вообще исчезал. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта».

Попытки объяснения фотоэффекта на основе теории Максвелла терпели неудачу. Непрерывная электромагнитная волна должна была увеличивать кинетическую энергию при увеличении интенсивности.

Объяснить фотоэффект удалось А. Эйнштейну в 1905 г. Для этого он использовал идею М. Планка о том, что, несмотря на волновую природу света, он испускается и поглощается только порциями — квантами. И энергия кванта пропорциональна частоте (коэффициент пропорциональности $h$ был назван «постоянной Планка»):

При выбивании электрона из вещества эта энергия будет затрачена на разрыв связей электрона с веществом (совершается работа выхода $A$, своя для каждого вещества), а оставшаяся энергия будет кинетической энергией электрона:

Эта формула фотоэффекта объясняет все особенности этого явления.

Увеличение интенсивности света увеличивает число квантов, выбивающих электроны, то есть она пропорциональна числу выбитых электронов. А кинетическая энергия выбитых электронов зависит только от частоты кванта (поскольку работа выхода остается одинаковой).

Кроме того, эта же формула объясняет красную границу фотоэффекта: если частота излучения слишком низка и энергия кванта оказывается меньше работы выхода, фотоэффект исчезает.

Рис. 3. Применение фотоэффекта.

Из курса физики 11 класса известно, что электроны могут покидать атомы вещества под действием излучения. Это явление названо фотоэффектом. Если электроны покидают вещество, то говорят о внешнем фотоэффекте. Если электроны остаются в веществе, лишь меняя свой энергетический уровень, — это внутренний фотоэффект. Теория фотоэффекта была разработана А. Эйнштейном.

Читайте также: