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.

Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта)

1. возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект используется в солнечных батареях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Схема для исследования внешнего фотоэф­фекта . Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А ) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникаю­щий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко) измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Зависимость фототока I , образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между катодом и анодом называется вольт-амперной харак­теристикой фотоэффекта.

По мере увеличения U фототок посте­пенно возрастает пока не выходит на насыщение. Максимальное значение тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: I нас = en , где n - число электронов, испус­каемых катодом в 1с. При U = О фототок не

исчезает, поскольку фотоэлектроны при вылете из катода обладают некоторой начальной скоростью. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U 0 . При U = U 0 ни один из электронов, даже обладающий при вылете максимальной начальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода:

т.е., измерив задерживающее напряжение U 0 , можно определить максимальное значение скорости υ max и кинетической энергии K m ах фотоэлектронов.

45. Законы фотоэффекта.

(1) Закон Столетова : при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е е катода).

(2) Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν

(3) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой ν не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε 0 =h ν.

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, называются фотонами.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см. стр.3-31) и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света (2й закон). Предельная частота

(или ), при которой кинетическая

энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта (3-й закон). Другая форма записи уравнения Эйнштейна

На рисунке изображена зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты облучающего света для алюминия, цинка и никеля. Все прямые параллельны друг другу, причем производная d(eU 0)/dv не зависит от материала катода и численно равна постоянной Планка h. Отрезки, отсекаемые на оси ординат, численно равны работе А выхода электронов из соответствующих металлов.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов и фотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах и устройствах управления и автоматизации различных процессов, пультах дистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронных умножителей и солнечных батарей.

Существование фотонов было продемонстри­ровано в опыте Боте. Тонкая металлическая фольга Ф, расположенная между двумя счетчиками Сч, под действием жесткого облучения испускала рентгеновские лучи. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновре­менно, и на движущейся ленте Л появлялись бы синхронные отметки маркерами М. В действительно­ сти же расположение отметок было беспорядочным. Следовательно, в отдельных актах испускания рождаются световые частицы (фотоны), летящие то в одном, то в другом направлении.

46. Масса и импульс фотона. Единство корпускулярных и волновых свойств света.

Используя соотношения , получаем выражения для энергии, массы и импульса фотона

Эти соотношения связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона - массу, импульс и энергию - с волновой характеристикой света - его частотой.

Свет обладает одновременно волновыми свойствами, которые проявля­ются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, и корпускулярными , которые проявляются в процессах взаимодействия света с веществом (испускания, поглощения, рассеяния).

47. Давление света.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление.

Пусть поток монохроматического излучения частоты падает перпенди­кулярно поверхности. Если за 1с на 1м 2 поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения р света от поверхности тела отразится ρN фотонов, а (1-ρ)N фотонов - поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс p γ , а каждый отраженный фотон -2p γ

Давление света на поверхность равно импульсу, который передают

поверхности за 1с N фотонов

Энергетическая освещенность поверхности (энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени). Объемная

плотность энергии излучения: . Отсюда

Волновая теория света на основании уравнений Максвелла приходит к такому же выражению. Давление света в волновой теории объясняется тем, что под действием электрического поля электромагнитной волны электроны в металле будут двигаться в направлении (обозначенном на рисунке) противоположном Магнитное поле электромагнитной волны действует на движущиеся электроны с силой Лоренца в направлении (по правилу левой руки) перпендикулярном поверхности металла. Таким образом, электромагнитная волна оказывает на поверхность металла давление.

48. Эффект Комптона.

Корпускулярные свойства света отчетливо проявляются в эффекте Комптона - упругом рассеянии коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и -излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества,сопровождающееся увеличением длины волны. Это увеличение не зависит от длины волны λ падающего

Солнечная батарея – устройство для непосредственного преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В основе работы солнечной батареи лежит вентильный фотоэффект (ВФЭ) . Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС (фотоЭДС) при освещении структуры, состоящей из разнородных элементов. Составляющими такой структуры могут быть металл и полупроводник (контакт Шоттки); два полупроводника с различным типом проводимости (p - n переход); два полупроводника, различных по химическому составу (гетероструктура). Впервые это явление было обнаружено Л.Грюндалем и, независимо от него, Б.Ланге в 1930г. [УФН, 1934] в контактах Шоттки на основе металлической меди и закиси меди (Cu - Cu 2 O ) . Однако коэффициент полезного действия таких устройств составлял всего несколько процентов, поэтому широкого применения они тогда не нашли. Практическое применение солнечные батареи (СБ ) получили, когда на смену контактам Шоттки пришли сначала германиевые, затем кремниевые фотоэлементы с p - n переходом, имеющие существенно более высокий к.п.д. В первую очередь солнечные батареи были использованы в качестве электрических генераторов на космических аппаратах. Уже третий искусственный спутник Земли (1958г.) снабжался энергией от солнечных батарей. В настоящее время СБ выпускаются промышленностью, имеют мощность в десятки киловатт, а к.п.д. батарей на основе гетероструктур из новых полупроводниковых материалов достигает 30%.

Физические основы вентильного фотоэффекта

В основе вентильного фотоэффекта – два фундаментальных явления:

Внутренний фотоэффект – генерация неравновесных носителей заряда при облучении полупроводника электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для такой генерации (см. работу «Внутренний фотоэффект в однородных полупроводниках»). Максимальный к.п.д. солнечных батарей возможен только в случае «собственной фотопроводимости», т.е. ситуации, когда при поглощении кванта света происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости и появляется пара неравновесных носителей заряда – электрон и дырка.

Но эти неравновесные носители заряда пространственно не разделены и фотоЭДС не возникает, пока электрон и дырка не будут разнесены в пространстве. Эту функцию выполняет контакт между полупроводником и металлом (контакт Шоттки) или между полупроводниками (p - n переход, гетероструктура)

Рассмотрим процесс разделения неравновесных носителей заряда на p - n переходе. На рис.1 показана типичная конструкция вентильного фотоэлемента с p - n переходом (фотодиода), а на рис.2 – включение фотоэлемента во внешнюю цепь.

При освещении p –области излучение поглощается в ней и генерирует электронно-дырочные пары. Поскольку концентрация тех и других носителей максимальна у поверхности, они диффундируют вглубь p –области, к p - n переходу. Электроны (неосновные носители в р -области) перебрасываются контактным полем в n -область, заряжая ее отрицательно. Для основных носителей заряда (в данном случае это дырки) на границе существует потенциальный барьер, который они не способны преодолеть и поэтому дырки остаются в p - области, заряжая ее положительно. Таким образом, электрическое поле контакта пространственно разделяет неравновесные электроны и дырки, образующиеся под действием света. Попадая в n -область, электроны уменьшают положительный объемный заряд в ней, а дырки, оставшиеся в p –области, уменьшают объемный отрицательный заряд (см. работу «Контактные явления в полупроводниках»). Это равносильно подаче на p - n переход прямого смещения φ , понижающего потенциальный барьер на величину е φ , где е - заряд электрона (рис.3).

Рис.3.Освещенный p - n -переход. Потенциальный барьер и для электронов, и для дырок уменьшается на величину фотоЭДС.

Перемещение электронов через p -n -переход создает фототок - I Ф , которому, поскольку он создается неосновными носителями, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который в фотоэлементах называется током утечки

I у = I s exp (е φ / kT ). (1)

Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей: -I S , основных носителей: I S exp(е φ /kT) и фототок:–I ф . Полный ток через p- n - переход равен

I = I S (exp(eφ/kT) -1) - I ф . (2)

Ток неосновных носителей

, (3)

где и- концентрации неосновных носителей заряда;- диффузионные длины;- коэффициенты диффузии электронов и дырок. Фототокв первом приближении пропорционален освещенности фотоэлементаФ.

Зависимость фотоЭДС вентильного фотоэлемента от внешней нагрузки

Уравнение 2 описывает вольт-амперную характеристику идеального фотодиода. По закону Ома ток во внешней цепи (рис.2) равен

Из (2) и (4) при разомкнутой внешней цепи, т.е. при R →∞, получим для фотоЭДС (фотоЭДС «холостого хода»)

Если же сопротивление нагрузки мало ( R →0), то ток короткого замыкания будет просто равен фототоку I кз = I Ф. Внешний вид вольт-амперной характеристики идеального вентильного фотоэлемента приведен на рис. 4.

Рис.4. Вольт-амперная характеристика кремниевого фотоэлемента. Точка а на рисунке соответствует работе с оптимальной внешней нагрузкой (с наибольшей мощностью фотоэлектрического генератора)

Как следует из ф.2,4 и рис.4 при увеличении сопротивления нагрузки фотоЭДС увеличивается, достигая в пределе значения φ ХХ , а фототок уменьшается. Мощность, отдаваемая фотоэлектрическим генератором во внешнюю цепь, равна I ф · φ. При оптимальном выборе сопротивления внешней цепи эта мощность будет максимальной (рис.4).

Как следует из рис.3, максимальная величина фотоЭДС не может превышать величину φ макс ≈ E g / e , где E g – ширина запрещенной зоны полупроводника. Фактически, в силу ряда причин, не учтенных нами в первом приближении, максимальная величина фотоЭДС будет составлять примерно 2/3· E g / e . У фотоэлементов из кремния (Si) с шириной запрещенной зоны E g ≈ 1 эВ она будет равна φ макс ≈600 мВ, фотоэлементов из германия (Ge) φ макс ≈400 мВ, фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs) φ макс ≈ 1 В. Для получения больших напряжений фотоэлементы подключают последовательно друг другу, для получения больших токов – параллельно, формируя, таким образом, солнечную батарею (рис.5,6).

Различают фотоэффект внешний внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриков), а также в газах и отдельных атомах и молекулах (фото ионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 году) Г. Герцем, наблюдавший усилие процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Два электрона (катод К из исследуемого металла и анод А в схеме Столетова применялось металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батареи так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значения, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности не утратившие свое значения до нашего времени:

1. Наиболее эффективное воздействие оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под воздействием света вещество теряет только отрицательные заряды.

Дж.Дж. Томас в 1898 г. Измерил уделы заряд испускаемых под воздействием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырабатываются электроны.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект - это вызванный электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний свободные без вылета наружу. В результате концентрации носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновения фотопроводимости (по повышения электропроводимости фотопроводника или диэлектрика при его освещении) или возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект- возникает э.д.с (фото-э.д.с.) 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

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Вольт-Амперная характеристика фотоэффекта - зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием тока от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям Е е катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны испускаемые катодом, достигают анода.

Из вольта-амперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того что бы фототок стал равным нулю необходимо приложить задерживающие напряжение U 0 . При U= U 0 ни один из электронов даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Где n - число электронов испускаемое катодом в 1с.

mv 2 max /2= e U 0

т.е. измерив сдерживающиеся напряжение U0, можно определить максимальное значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При излучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна частота поверхности, поэтому измерение проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.