2. Фотоэлектрические явления.

ВНУТРЕННИЙ И ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТЫ

2.1. Существуют два вида внутреннего фотоэффекта, вызванного поглощением энергии фотонов в полупроводниках. «Поглощение энергии» в данном случае обозначает тот факт, что фотоны отдают свою энергию частицам вещества. Опыт показал, что такими частицами являются электроны (за исключением случая фотонов сверхвысоких энергий). Фотоэффект называется внутренним, если электроны, получившие энергию фотонов, остаются внутри облучаемого тела.

Первую разновидность внутреннего фотоэффекта обычно называют фотопроводимостью или фоторезистивным эффектом. Это явление заключается в увеличении электропроводимости (т.е. уменьшения электросопротивления) под действием света в кристаллах Ge, Si, Se, CdS, ZnS и др.

Кристаллы таких элементов, в отличие от металлов, не имеют свободных электронов. Однако при поглощении энергии фотонов эта энергия передается валентным электронам, которые легко освобождаются от связи с атомом и становятся свободными. При наличии разности потенциалов (электрического напряжения от внешнего источника) свободные электроны образуют электроток. В технических устройствах широко используются элементы, называемые фоторезисторами, изменяющими электросопротивление в зависимости от интенсивности падающего на них света.

Второй вид внутреннего фотоэффекта называется фотогальваническим эффектом. При неравномерном освещении полупроводника валентные электроны, освободившиеся под действием энергии фотонов от связи с атомами, концентрируются на более освещённом участке и, в результате, появляется разность потенциалов внутри полупроводника между освещённым и затемнённым участками.

Аналогичное явление под действием света происходит в неоднородных по составу полупроводниках, называемых фотовентилями. Подключая к освещённым полупроводникам такого типа внешнюю цепь, получают электроток во внешней цепи (в нагрузке). Следовательно, происходит прямое преобразование света, т.е. энергии, излучаемой некоторым источником, в электрическую энергию.

Полупроводниковые фотогальванические элементы изготовляют из кристаллов Si, Ge, GaAs, CdTe и др. Солнечные фотоэлементы, составленные из большого числа фотогальванических элементов, являются источниками электропитания космических аппаратов. Продолжаются исследования с целью создания преобразователей излучения Солнца в электрическую энергию с использованием внутреннего фотогальванического эффекта.

Фотовентили, наряду с фоторезисторами, применяются для регистрации световых сигналов в различных технических устройствах, для систем контроля, управления и т.п.

2.2. Внешним фотоэффектом называется явление, при котором под действием света электроны вылетают из объёма тела в окружающее пространство (обычно – в вакуум).

Этот эффект наиболее заметен для металлических кристаллов (вообще – металлов), внутренняя структура которых определяется тем, что в узлах решетки расположены положительно заряженные ионы и огромное число свободных электронов, которые, уравновешивая положительные заряды ионов, хаотически движутся внутри металла.

При нормальных условиях (невысоких температурах) электроны не могут вылететь из объёма металла, поскольку их удерживает электрическая сила взаимодействия с ионами. Для выхода из объёма электрону с массой m необходимо иметь такую начальную скорость v₀ и соответствующую кинетическую энергию T₀ = mv₀ ²/2, чтобы выполнялось условие:

,

где – величина, численно равная работе суммарной средней силы Кулона , препятствующей вылету электрона из объёма за время его движения в приповерхностном слое тела; – перемещение, равное сумме элементарных перемещений электрона в приповерхностном слое.

Если же , то электроны остаются в объёме металла. Предельное значение работы A сил Кулона обычно называют работой выхода фотоэффекта (или, сокращенно, работой выхода).

Применим известную из механики теорему о кинетической энергии, согласно которой изменение кинетической энергии точки на некотором перемещении равно работе сил, приложенных к точке на том же перемещении. Используя эту теорему для электрона при условии , получаем:

, (1)

где v – скорость электрона, вылетевшего из объёма тела. В формуле (1) , следовательно, . Отметим, что отрицательный знак у работы сил Кулона соответствует тому, что скорость v электрона, вылетевшего из объёма тела, меньше его скорости v₀ внутри объёма.

Учитывая отрицательный знак у работы сил Кулона, преобразуем формулу (1) к виду:

. (2)

Формула (2) показывает, что начальная кинетическая энергия электрона (внутри тела) равна сумме кинетической энергии электрона, вылетевшего из объёма тела, и работы суммарной электрической силы, удерживающей электроны в объёме тела (работы выхода).

Учитывая, что начальную кинетическую энергию T₀, достаточную для вылета из объёма металла, электроны получают от фотонов, проникающих вглубь приповерхностного слоя металла, получаем:

(3)

и формула (2) преобразуется у виду:

(4)

Формула (4) называется основным уравнением внешнего фотоэффекта, согласно которому квант энергии, поглощённой электроном внутри в приповерхностном слое металла, равен сумме кинетической энергии вылетевшего электрона, и работы выхода (работы суммарной электрической силы, препятствующей вылету электронов из объёма тела).

2.3. Для уравнения внешнего фотоэффекта (4) необходимо сделать два пояснения.

2.3.1.Численные значения физических величин в уравнении (4) не являются абсолютно точными. А именно, величина кванта энергии: и работа выхода A в действительности находятся в некоторых интервалах:

,

и, следовательно, кинетические энергии вылетающих электронов T = mv² /2 и их скорости v вблизи поверхности также имеют интервалы значений:

T = T  T,

v = v  v

Специальные исследования показали, что и одной из главных причин разброса энергий и скоростей вылетающих электронов являются различающиеся между собой значения работ A сил Кулона, уменьшающих начальную энергию, полученную электронами от фотонов. Различные значения работ A (в интервале ) объясняются, главным образом, тем, что поглощение квантов энергии электронами происходит на разных расстояниях от поверхности тела при максимальной глубине проникновения фотонов см. Следовательно, при движении к поверхности тела электроны имеют различные значения перемещений и, соответственно, разные значения потерь начальной энергии.

Примечание: Более точные вычисления с учётом хаотического распределения электронов по векторам скорости показывают, что только часть электронов, поглотивших энергию фотона, получает возможность вылета из объёма тела.

2.3.2. Когда электроны вылетают из объёма тела, внутри тела появляется заряд противоположного знака, равный по величине заряду вылетевших электронов. В результате к электронам, удаляющимся от поверхности, приложена сумма сил Кулона, уменьшающая их скорость, останавливающая их на некотором расстоянии и возвращающая назад. При этом электроны, начавшие движение с более высокими скоростями, проходят от поверхности тела больший путь, чем электроны с малыми скоростями. Такой процесс – вылета и возврата электронов – продолжается до тех пор, пока на тело падает поток света, т.е. электронам сообщается энергия, переносимая фотонами.

Возврат электронов можно осуществить другим способом: вблизи тела, из которого под действием света вылетают электроны, можно поместить другое тело (металлическую пластину) и соединить эти тела металлическим проводом. В такой электрической цепи появится электрический ток, т.к. электроны, падающие на пластину, будут по проводу возвращаться в объём тела, из которого они вылетели.

Эту схему впервые применил А.Г.Столетов, дополнив её гальванометром – прибором для измерения величины электрического тока и включив в цепь электробатарею, с помощью которой можно изменять разность потенциалов между телами (электродами).