Рівняння Ейнштейна.

 

Встановлені три закони фотоефекту  не можна було пояснити на основі електромагнітної теорії.  Якщо перший закон ще мав пояснення, то другий і третій   теорія   не   могла   пояснити. 

В  1905 році   А. Ейнштейн, спираючись на основи квантової теорії, пояснив явище фотоефекту. Згідно з квантовою теорією, світло – це потік  квантів  певної енергії ( hn ). Коли на поверхню металу падає світловий потік, то електрони металу, які розміщені недалеко від поверхні, поглинають кванти світла, набуваючи  їхньої  енергії. Якщо при цьому енергія електрона, що поглинув квант, стає  більшою  від  роботи виходу , то електрон може вилетіти за межі цього металу. При  цьому  частина  енергії  поглинутого  кванта  витрачається   на виконання роботи виходу - Ав, а решта становитиме  кінетичну  енергію   електрона.   Математично    цей    процес    виглядає    так:

 

hn  =  Aв  +  mu² _м / 2

або

hc / l  =  Aв    +  mu² _м / 2

 

Закони     фотоефекту    квантова    теорія    пояснює   так:

із   збільшенням   інтенсивності монохроматичного випромінювання зростає число вирваних світлом електронів, так як зростає число поглинутих цими електронами квантів. Тому фотострум зростає прямопропорційно інтенсивності світла ( І – й закон). Згідно рівняння Ейнштейна, кінетична енергія залежить тільки   від   роду   металу ( Ав )   і від частоти світла, тобто від  енергії  падаючого   кванта.  А   від    їх   кількості    не залежить ( ІІ – й закон ).

Якщо енергія падаючого кванта менша за роботу виходу, то при будь-якій інтенсивності   цього світла   електрони   з   металу   не   вилітають ( ІІІ – й закон ).

Червону   межу   фотоефекту   можна   знайти   із   співвідношення:

hc / lч  =  Aв

 

тоді                                                         lч   =  hc / Aв

 

У дослідах на фотоефект не тільки зі світлом, а й з рентгенівськими променями   і   гамма-променями квантова теорія випромінювання дістала блискуче    експериментальне    підтвердження.

 

Внутрішній фотоефект.

 

Якщо при зовнішньому фотоефекті електрони, що вириваються світло, вилітають за межі речовини, то у  напівпровідниках під дією світла відбувається   генерація   власних   носіїв   струму. Таке   явище   дістало назву  -  внутрішній   фотоефект.

Так як в цьому випадку   на   розриви   ковалентних   зв’язків   потрібна менша   енергія, ніж на виконання роботи виходу, то у напівпровідниках фотоефект   може   відбуватися   при меншій   енергії  падаючих  квантів, тобто може   викликатися   світлом   більшої  довжини  хвилі. У деяких напівпровідниках   фотоефект відбувається при освітленні інфрачервоним світлом, що   має   важливе  значення  для   практики.

Провідність   напівпровідників,   зумовлена  опромінюванням,   

називається   фотопровідністю.

.

Фотоефект можна використати для перетворення енергії випромінювання в електричну енергію. Прилад, який здійснює таке перетворення, називається фотоелементом, що працює на зовнішньому фотоефекті. Такі фотоелементи використовують для автоматичного керування електричними колами за допомогою сигналів, які створюються видимим і ультрафіолетовим випромінюванням.

Внутрішній фотоефект використано в будові фотоопорів і фотоелементів  Фотоопори застосовуються також для автоматичного керування електричними колами. Фотоелементи, що працюють на внутрішньому фотоефекті використовуються для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію; їх   називають сонячними батареями. Такі батареї встановлють  на  космічних супутниках і космічних кораблях. Вони дають енергію   для   роботи   бортової    апаратури.

 

Фотоефект запірного шару    У розділі фотопровідність було показано, що під дією поглиненого світла електрони можуть переходити із заповненої зони у вільну, створюючи таким чином фотопровідність. При цьому в напівпровіднику виникає лише додаткова провідність, але не утворюється ніяких власних електрорушійних сил. Однак відомо й інше явище - поява електрорушійних сил в результаті освітлення напівпровідника. Наприклад, якщо піддати напівпровідник нерівномірного висвітлення так, щоб одні частини зразка висвітлювалися значно сильніше, а інші значно слабкіше, можна в ряді випадків виявити деяку різницю потенціалів між світлими і темними ділянками. Це явище пояснюється тим, що в момент освітлення електрони починають дифундувати з освітлених ділянок в темні в більшій кількості, ніж у зворотному напрямку. Така переважна дифузія oпріводіт до того, що темні ділянки у разі електронного механізму провідності поступово заряджаються негативну, а світлі - позитивно.Внаслідок цього усередині напівпровідника утворюється поступово наростаюче електричне поле, яке, врешті-решт, встановить рівноважний стан, характерний тим, що електронні потоки в ту і іншу сторону зрівняються. Коли настане рівновага, між світлим і темним ділянками напівпровідника буде існувати деяка різниця потенціалів, яка доходила іноді до 0,2 В.   Проте найцікавіше прояв впливу світла на напівпровідник полягає в існуванні так званого фотоефекту запірного шару. Окисли мідну пластинку, утворивши на ній шар закису міді Сu20, яка є класичним напівпровідником. Нанесемо на поверхню закису міді дуже тонкий шар металу, наприклад срібла. Відомо, що дуже тонкі металеві шари напівпрозорі. Потім складемо просту електричний ланцюг. До напівпрозорому срібному електроду підведемо дріт від одного затиску гальванометра, другий зажим якого з'єднаємо з мідною пластинкою. Ця схема характерна тим, що в ній немає джерела струму. Якщо направити на верхній напівпрозорий срібний електрод потік ради, то стрілка гальванометра піде далеко вправо від свого нульового положення, так як в ланцюзі піде струм. Це явище обумовлюється існуванням в системі - метал - напівпровідник запірного шару.    У даному випадку електрони під дією світла переходять з закису міді крізь замикаючий шар в мідь. Отже, мідна пластинка заряджається негативно, а напівпрозорий електрод позитивно. Таким чином, опромінення світлом меднозакісной поверхні викликає в ланцюзі поява електричного струму. Аналогічне явище спостерігається і в інших напівпровідників. Особливо яскраво цей ефект проявляється в системах, що включають такі напівпровідники, як сірчистий талій, сірчисте срібло, селен, германій, кремній, сірчистий кадмій.    Явище виникнення електрорушійної сили або електричного струму під дією світла в системах, що складаються з електронного і "діркового" напівпровідників, запірного шару і металевих електродів, отримало назву фотоефекту запірного шару або вентильного фотоефекту.    Яка природа вентильного фотоефекту? Механізм цього явища складається з декількох етапів. Перший етап полягає в тому, що поглинутий світло звільняє в напівпровіднику одночасно електрони і дірки, утворюючи так звані пари "електрон-дірка". Звільнення пар зводиться до того, що електрони із заповненої зони перекидаються у вільну зону, стаючи, таким чином, електронами провідності, а дірки залишаються в заповненій зоні і отримують також можливість брати участь в електропровідності.    Якби світло поглинався в якому-небудь одному напівпровіднику, не контактує з іншим напівпровідником, то виникли під дією світла пари збільшили б лише провідність даного напівпровідника і на цьому б вся справа й скінчилося. Зовсім інше має місце в розглянутій нами системі, що складається з напівпровідників з електронною провідністю (позначаються буквою n) і доречнийпровідністю (позначаються буквою p). Між обома напівпровідниками укладено замикаючий шар.Контакт р і n напівпровідників приводить до утворення між ними контактного електричного поля. І якщо робота виходу "діркового" напівпровідника більше роботи виходу електронного, що обов'язково для двох напівпровідників одного і того ж хімічного складу, то це контактна електричне поле спрямоване від електронного напівпровідника до "дірковому". Що ж станеться в цьому випадку з парами?Очевидно, що "звільнені" світлом неосновні носії струму, тобто електрони в дірковому напівпровіднику або дірки в електронному, під дією цього поля будуть через замикаючий шар переходити з одного напівпровідника в інший. У міру переходу неосновних носіїв струму з одного напівпровідника в інший буде збільшуватися їх накопичення в одній частині даної системи, у той час як в іншій частині буде відбуватися накопичення основних носіїв струму. Таким чином, утворені світлом пари почнуть розділятися: електрони концентруватися в електронному напівпровіднику, а дірки - в дірковому. Це накопичення не може тривати безмежно тому, що паралельно із зростанням концентрації дірок в "дірковому" напівпровіднику і електронів - в електронному зростає створюване ними електричне поле, яке перешкоджає переходу неосновних носіїв з одного напівпровідника через замикаючий шар в іншій напівпровідник. Разом з тим у міру зростання цього поля зростає і зворотний потік неосновних фотоносіїв. Зрештою, настане рівновага, коли число неосновних носіїв, що переміщаються за одиницю часу через замикаючий шар, зрівняється з числом тих же носіїв, що переміщаються за той же самий проміжок часу у зворотному напрямку.У цей момент між верхнім і нижнім електродами встановиться деяка остаточна різниця потенціалів, яка по суті і буде представляти собою фотоелектродвіжущую силу.    Говорячи про встановлення подібного динамічної рівноваги, слід мати на увазі, що кількість неосновних фотоносіїв N переміщаються за одиницю часу з освітлюваного напівпровідника через замикаючий шар в іншій напівпровідник, залежить від інтенсивності світлового потоку. Зі збільшенням інтенсивності світлового потоку збільшується чисельне значення N. Спочатку це збільшення йде за лінійним законом, а потім зростання N починає все більше і більше відставати від зростання інтенсивності світлового потоку до тих пір, поки не настає повне насичення.Відповідно до зміни N в залежності від зміни світлового потоку змінюється і величина фотоелектродвіжущей сили, яка, в кінцевому рахунку, і представляє в цьому явищі головний інтерес.    Такий у самих загальних рисах механізм виникнення фотоелектродвіжущей сили в системі, що з р і n напівпровідників і укладеного між ними замикаючого шару.    Вентильний фотоефект особливо активно протікає в напівпровідникових системах з великою дифузійної довжиною "неосновних" носіїв струму і відповідно великим часом їхнього життя.    З розгляду механізму виникнення вентильної фотоелектродвіжущей сили видно, що електрод, безпосередньо контактує з електронним напівпровідником, завжди заряджається негативно, тоді як електрод, безпосередньо контактує з дірковим напівпровідником, заряджається позитивно. Тому у різних типів вентильних фотоелементів верхній напівпрозорий електрод може набувати як позитивний заряд, так і негативний.    Відкриття фотоефекту запірного шару розширило можливості практичного використання напівпровідників і лягло в основу пристрою вентильних фотоелементів - приладів, прямим і безпосереднім шляхом перетворюють променисту енергію в електричну.