4.6 Действие света
4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта
Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта — явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.
В 1898 г. Ленард и Дж. Дж. Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях определили удельный заряд заряженных частиц, вырываемых светом из катода. Он оказался таким же, как и для электронов. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода. Явление это носит название фотоэффекта. Электроны, вырванные под действием света, называются фотоэлектронами. Фотоэффект можно наблюдать в опыте, схема которого изображена на рисунке - 4.61.
Интенсивность облучения, разность потенциалов и ток в цепи при прочих неизменных условиях находятся между собой в определенной зависимости. Кривая, показывающая зависимость силы тока от напряжения при неизменном освещении, называется вольтамперной характеристикой (рисунок - 4.62). В направлении положительных значений V обозначены потенциалы, которые ускоряют электроны, а в направлении отрицательных значений V отложены потенциалы, которые задерживают движение электронов от катода к аноду.
Следует отметить две наиболее характерные особенности этих вольтамперных характеристик. Во-первых, наличие тока насыщения, т. е. такого максимального тока, величина которого при дальнейшем увеличении разности потенциалов остается практически постоянной. Очевидно, что по току насыщения можно определить полное число электронов, которое выбивается из катода при данной интенсивности облучения. Во-вторых, наличие задерживающего потенциала, при котором прекращается ток. Очевидно, что по задерживающему потенциалу можно определить максимальную энергию электронов, выбиваемых из катода. Построив вольтамперные характеристики для различных интенсивностей света, различных длин волн, различных материалов катода и т. были выяснены основные закономерности, которым подчиняется фотоэффект. Были установлены следующие закономерности фотоэффекта.
1) При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
2) Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
3) Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины vmin, называемой красной границей фотоэффекта.
|
|
|
|
Рисунок - 4.61 |
Рисунок - 4. 62 |
Первую закономерность фотоэффекта, а также возникновение самого фотоэффекта легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Когда амплитуда вынужденных колебаний достигает определенного значения, электроны покидают металл и наблюдается фотоэффект.
Ввиду того, что согласно классической теории интенсивность света прямо пропорциональна квадрату электрического вектора, число вырванных электронов растет с увеличением интенсивности света. Изложенные во второй и третьей закономерностях фотоэффекта данные находятся в резком противоречии с классическими представлениями о волновой природе света.
Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет распространяется не в виде непрерывной волны, а в виде дискретных порций энергии, называемых квантами, или фотонами. Энергия одного фотона, соответствующего свету с частотой ν, равна ε = hν , где h = 1,05 10-34 Дж сек — величина, называемая постоянной Планка.
Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему свою энергию. Если переданная энергия достаточно велика, электрон может преодолеть силы, удерживающие его в металле, и выйти за пределы поверхности металла Естественно, что в этом процессе соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в следующем виде:
|
hν = Aвых + mev2/2 |
(4.72), |
где Aвых— работа выхода электрона из металла, т. е. работа, которую должен совершить электрон против сил, удерживающих его в металле; mev2/2— кинетическая энергия, которую имеет электрон вне металла. Данное соотношение носит название уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Это
уравнение позволяет полностью объяснить
все особенности внешнего фотоэффекта.
Интенсивность светового потока прямо
пропорциональна числу фотонов в световом
потоке. С другой стороны, очевидно, что
число выбитых электронов прямо
пропорционально числу фотонов. Отсюда
следует, что число выбитых электронов
прямо пропорционально интенсивности
светового потока, что находится в
согласии с первым законом фотоэффекта.
Кинетическая энергия фотоэлектрона
согласно последнего уравнению зависит
только от частоты падающего света и не
зависит от того, сколько других фотонов
столкнулись с другими электронами, т.
е. не зависит от интенсивности падающего
света. Это согласуется со вторым законом
фотоэффекта. Далее, из этого же уравнения
видно, что если энергия падающих фотонов
будет меньше, чем работа выхода из
металла, то фотоэффект будет невозможен.
Этим объясняется наличие красной границы
в фотоэффекте. Ясно, что минимальная
частота νmin , ниже которой фотоэффект
невозможен, определяется уравнением
|
hνmin = Aвых |
(4.73). |
В отличие от рассмотренного выше внешнего фотоэффекта, при котором под действием света электроны выходят из исследуемой среды наружу, для полупроводников более характерны два других фотоэлектрических явления: внутренний и вентильный фотоэффекты.
Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э. д. с.
В простейшем случае собственного полупроводника излучение возбуждает валентные электроны в зоне проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в проводимость дают также возникающие в валентной зоне дырки. В примесном полупроводнике n-типа кроме собственного фотоэффекта возможно еще возбуждение электронов из связанных состояний на донорных центрах в зону проводимости. Аналогичным образом в полупроводниках р-типа возможно возбуждение электронов из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая тем самым подвижные дырки. Характерно, что в обоих случаях примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители только одного знака. Так же, как и внешний фотоэффект, фотопроводимость проявляется в однородном материале в присутствии внешнего электрического поля.
Вентильный фотоэффект — возникновение э. д. с. (фотоэдс.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом перед фотосопротивлениями и внешними фотоэлементами, что они могут служить индикаторами лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Но главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую. В начале нашего века существовали фотоэлементы, работающие на контактах полупроводников и металлов. Однако в дальнейшем было показано, что наиболее эффективными являются фотоэлементы, основанные на использовании контакта двух полупроводников с р- и n-типами проводимости, т. е. на так называемом р-n переходе.
На явлении фотоэффекта основано действие множество фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, э. д. с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.
Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным инертным газом (Аg или Ne). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами.
Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом. используется явление вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет ≈107 (при напряжении питания 1 —1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10А/лм.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра, а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений — их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называют вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем). Обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, они имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2—30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э. д. с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, и др.
Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на советских космических спутниках и кораблях. К. п. д. этих батарей составляет ≈10 % и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до ≈22 %, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.
Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, правления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в звуковом кино, в различных системах связи и т. д.