Efect fotoelectric intern sunt cauzate de radiațiile electromagnetice tranziții de electroni în interior semiconductor sau dielectric de la starea legată la starea liberă fără a scăpa în afară. Ca urmare, concentrația purtătorilor de curent în interiorul corpului crește, ceea ce duce la apariția fotoconductivității - o creștere a conductivității electrice a unui semiconductor sau a unui dielectric atunci când este iluminat.

Efect fotoelectric cu supapă (un fel de efect fotoelectric intern)

1. apariția EMF (foto-EMF) la iluminarea contactului a doi semiconductori diferiți sau a unui semiconductor și a unui metal (în absența unui câmp electric extern). Efectul fotoelectric al supapei este utilizat în panourile solare pentru a converti direct energia solară în energie electrică.

Efect fotoelectric extern (emisiune fotoelectronică) se numește emisia de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice.

Schema pentru studierea efectului fotoelectric extern... Doi electrozi (catodul K din metalul investigat și anodul A) într-un tub de vid sunt conectate la baterie astfel încât nu numai valoarea, ci și semnul tensiunii aplicate acestora să poată fi modificate. Curentul care apare atunci când catodul este iluminat cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț) este măsurat de un miliammetru conectat la circuit. Dependența de fotocurent Eu generat de fluxul de electroni emiși de catod sub acțiunea luminii din tensiune Uîntre catod și anod se numește volt-amper caracteristic efectului fotoelectric.

Pe măsură ce U crește, fotocurentul crește treptat până ajunge la saturație. Valoarea curentă maximă Eu noi - fotocurentul de saturație - este determinat de o astfel de valoare U, la care toți electronii emiși de catod ajung în anod: Eu noi = ru, Unde n- numărul de electroni emiși de catod în 1s. La U = O, fotocurentul nu este

dispare, deoarece fotoelectronii, atunci când scapă din catod, au o anumită viteză inițială. Pentru ca fotocurentul să devină egal cu zero, este necesar să se aplice o tensiune de întârziere U 0. La U = U 0, niciunul dintre electroni, chiar și cei care au viteza inițială maximă atunci când zboară, nu poate depăși câmpul de întârziere și ajunge la anod:

adică, măsurând tensiunea de întârziere U 0, se poate determina valoarea maximă a vitezei υ maxși energia cinetică K m ax a fotoelectronilor.

45. Legile fotoefectului.

(1) Legea lui Stoletov: la o frecvență fixă ​​a luminii incidente, numărul de fotoelectroni emiși de fotocatod pe unitate de timp este proporțional cu intensitatea luminii (fotocurentul de saturație este proporțional cu iradianța E e a catodului).

(2) Viteza inițială maximă (energia cinetică inițială maximă) a fotoelectronilor nu depinde de intensitatea luminii incidente, ci este determinată doar de frecvența sa ν

(3) Pentru fiecare substanță există o margine roșie a efectului fotoelectric - frecvența minimă a luminii (în funcție de natura chimică a substanței și de starea suprafeței acesteia), sub care fotoefectul este imposibil.

Pentru a explica mecanismul efectului fotoelectric, Einstein a sugerat că lumina de frecvență ν nu este emisă doar de cuante separate (conform ipotezei lui Planck), ci se propagă și în spațiu și este absorbită de materie în porțiuni separate (cuante), energia care este ε 0 = hν.

Cuantele de radiații electromagnetice care se mișcă cu viteza de propagare a luminii în vid se numesc fotoni.

Energia fotonului incident este cheltuită pe electronul care îndeplinește funcția de lucru A de la metal (vezi paginile 3-31) și pe comunicarea energiei cinetice la fotoelectronul emis. Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern:

Această ecuație explică dependența energiei cinetice a fotoelectronilor de frecvența luminii incidente (legea a doua). Frecvență limitativă

(sau), la care cinetica

energia fotoelectronilor devine zero și există o margine roșie a efectului fotoelectric (legea a 3-a). O altă formă de scriere a ecuației Einstein

Figura arată dependența energiei cinetice maxime a fotoelectronilor de frecvența luminii iradiate pentru aluminiu, zinc și nichel. Toate liniile drepte sunt paralele între ele, iar derivata d (eU 0) / dv nu depinde de materialul catodic și este numerică egală cu constanta lui Planck. Segmentele tăiate pe axa ordonată sunt numerice egale cu lucrarea A eliberarea electronilor din metalele corespunzătoare.

Efectul fotoelectric stă la baza acțiunii fotocelulelor și a fotorezistoarelor (fotorezistoare) în fotoexponometre, luxmetre și dispozitive pentru controlul și automatizarea diferitelor procese, telecomenzi, precum și a tuburilor fotomultiplicatoare semiconductoare și a bateriilor solare.

Existența fotonilor a fost demonstrată în experimentul lui Botha. Folia de metal subțire Ф, situată între două contoare Сч, a emis raze X sub acțiunea iradierii dure. Dacă energia radiată ar fi distribuită uniform în toate direcțiile, după cum urmează din reprezentările undelor, atunci ambele contoare ar trebui să funcționeze simultan, iar pe banda în mișcare L cu marcatori M. ar apărea semne sincrone. De fapt, dispunerea marcilor a fost neregulat. În consecință, în acte separate de emisie, se nasc particule de lumină (fotoni), care zboară într-o direcție sau alta.

46. ​​Masa și impulsul unui foton. Unitatea proprietăților corpusculare și de undă ale luminii.

Folosind relațiile, obținem expresii pentru energia, masa și impulsul unui foton

Aceste relații conectează caracteristicile cuantice (corpusculare) ale unui foton - masă, impuls și energie - cu unda caracteristică luminii - frecvența sa.

Lumina posedă în același timp val proprietăți care se manifestă în legile propagării, interferenței, difracției, polarizării și corpuscular, care se manifestă în procesele de interacțiune a luminii cu materia (emisie, absorbție, împrăștiere).

47. Presiunea ușoară.

Dacă fotonii au impuls, atunci lumina care cade pe corp trebuie să exercite presiune asupra acestuia.

Lăsați fluxul de radiație monocromatică de frecvență să cadă perpendicular pe suprafață. Dacă N fotoni cad pe 1m 2 din suprafața corpului în 1 s, atunci la coeficientul de reflecție p de lumină de la suprafața corpului, ρ va fi reflectat N fotoni și (1-ρ) N fotoni - vor fi absorbiți. Fiecare foton absorbit transmite un impuls către suprafață p γ, și fiecare foton reflectat este -2 p γ

Presiunea luminii pe suprafață este egală cu impulsul care este transmis

suprafață în 1s N fotoni

Iluminarea energetică a unei suprafețe (energia tuturor fotonilor incidenți pe o unitate de suprafață pe unitate de timp). Volumetric

densitatea energiei radiației :. De aici

Teoria undelor luminii pe baza ecuațiilor lui Maxwell ajunge la aceeași expresie. Presiunea luminii în teoria undelor se explică prin faptul că sub acțiunea unui câmp electric electronii cu undă electromagnetică din metal se vor deplasa în direcția (notată în figură) opus Un câmp magnetic unda electromagnetică acționează asupra electronilor în mișcare cu forța Lorentz în direcția (conform regulii din stânga) perpendiculară pe suprafața metalică. Astfel, unda electromagnetică exercită presiune pe suprafața metalică.

48. Efect Compton.

Proprietățile corpusculare ale luminii se manifestă clar în efectul Compton - împrăștiere elastică a radiației electromagnetice cu unde scurte (raze X și radiații) de către electroni liberi (sau slab legați) de materie, însoțită de o creștere a lungimii de undă. Această creștere este independentă de lungimea de undă λ a incidentului

Baterie solară- un dispozitiv pentru conversia directă a energiei solare în energie electrică. Funcționarea bateriei solare se bazează pe efectul fotoelectric al supapei. (VFE). Efect fotoelectric supapă- apariția EMF (foto-EMF) la iluminarea unei structuri formate din elemente diferite. Componentele unei astfel de structuri pot fi un metal și un semiconductor (contact Schottky); doi semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate ( p- n tranziție); doi semiconductori, diferiți în compoziția chimică (heterostructură). Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată de L. Grundahl și, independent de el, de B. Lange în 1930. [UFN, 1934] în contactele Schottky pe bază de metal cupru și oxid de cupru (Cu- Cu 2 O) ... Cu toate acestea, eficiența unor astfel de dispozitive a fost de doar câteva procente, astfel încât acestea nu au găsit o utilizare pe scară largă în acel moment. Aplicarea practică a panourilor solare ( Sâmbătă) au fost obținute atunci când contactele Schottky au fost înlocuite mai întâi cu germaniu, apoi cu fotocelule de siliciu cu p- n tranziție, având o eficiență semnificativ mai mare. Panourile solare au fost utilizate în principal ca generatoare electrice în nave spațiale. Deja al treilea satelit artificial al Pământului (1958) a fost alimentat cu energie din baterii solare. În prezent, SB sunt produse de industrie, au o capacitate de zeci de kilowați, iar eficiența este bateriile bazate pe heterostructuri din materiale semiconductoare noi ajung la 30%.

Fundamentele fizice ale efectului fotoelectric al supapei

Efectul fotoelectric al supapei se bazează pe două fenomene fundamentale:

Efect fotoelectric intern - generarea de purtători de sarcină neechilibru atunci când un semiconductor este iradiat cu radiații electromagnetice cu o energie cuantică suficientă pentru o astfel de generare (a se vedea lucrarea „Efect fotoelectric intern în semiconductori omogeni”). Eficiență maximă celulele solare sunt posibile numai în cazul „fotoconductivității intrinseci”, adică situații în care, la absorbția unui cuantum de lumină, un electron trece de la banda de valență la banda de conducție și apare o pereche de purtători de sarcină neechilibrată - un electron și o gaură.

Dar acești purtători de încărcare neechilibrată nu sunt separați spațial și foto-emf nu apare până când electronul și orificiul nu sunt separate în spațiu. Această funcție este realizată de un contact între un semiconductor și un metal (contact Schottky) sau între semiconductori ( p- n tranziție, heterostructură)

Luați în considerare procesul de separare a purtătorilor de sarcină fără echilibru în p- n tranziție. Figura 1 prezintă un design tipic al unei fotocelule cu supapă cu p- n tranziție (fotodiodă), iar în Fig. 2 - includerea unei fotocelule în circuitul extern.

Sub iluminare p- regiunea radiației este absorbită în ea și generează perechi electron-gaură. Deoarece concentrația ambilor purtători este maximă la suprafață, acestea se difuzează profund p-Zonele, spre p- n tranziție. Electroni (transportatori minoritari în R-zone) sunt aruncate de câmpul de contact în n-area, incarcand-o negativ. Pentru transportatorii de încărcare majoritari (în acest caz, acestea sunt găuri), există o barieră potențială la limită, pe care nu sunt capabile să o depășească și, prin urmare, găurile rămân în p- zona, încărcând-o pozitiv. Astfel, câmpul electric al contactului separă spațial electronii de neechilibru și găurile formate sub acțiunea luminii. Intrând în n-area, electronii scad sarcina de spațiu pozitivă în ea, iar găurile rămase în p- zone, reduceți sarcina volumetrică negativă (vezi lucrarea „Fenomene de contact în semiconductori”). Acest lucru echivalează cu depunerea unei cereri pentru p- n tranziție de părtinire înainte φ reducerea barierei potențiale cu cantitatea eφ , Unde e - sarcină electronică (Fig. 3).

Fig. 3 Iluminatp- n-tranziție. Bariera potențială atât pentru electroni, cât și pentru găuri scade cu valoarea foto-emf.

Mișcarea electronilor prin p-n-transitia creeaza un flux foto - Eu F, căruia, deoarece este creat de transportatori minori, i se atribuie un semn negativ. Coborârea barierei duce la o creștere a curentului purtătorilor majoritari, care în fotocelule se numește curent de scurgere

Eu la = Eu s exp(eφ / kT). (1)

Astfel, următorii curenți curg prin joncțiune: purtători minoritari: -Eu S, principalii transportatori: Eu S exp (eφ / kT)și fotocurent: - Eu f . Curent total până la p- n- tranziția este

Eu = eu S (exp (eφ / kT) -1) - I f . (2)

Curent transportator minor

, (3)

unde și sunt concentrațiile purtătorilor de sarcină minoritari; sunt lungimile de difuzie; sunt coeficienții de difuzie ai electronilor și găurilor. Fotocurentul din prima aproximare este proporțional cu iluminarea fotocelulei F.

Dependența foto-emf a fotocelulei supapei de sarcina externă

Ecuația 2 descrie caracteristica curent-tensiune a unei fotodiode ideale. Conform legii lui Ohm, curentul din circuitul extern (Fig. 2) este egal cu

Din (2) și (4) cu un circuit extern deschis, adică la R →∞, obținem pentru photo-emf (photo-emf "inactiv")

Dacă rezistența la sarcină este mică ( R →0), atunci curentul de scurtcircuit va fi pur și simplu egal cu fotocurentul Eu kz = Eu F. Vederea externă a caracteristicii curent-tensiune a unei fotocelule de supapă ideale este prezentată în Fig. 4.

Fig. 4. Caracteristica curent-tensiune a unei fotocelule din siliciu. PunctA în figură corespunde funcționării cu sarcină externă optimă (cu cea mai mare putere a generatorului fotovoltaic)

După cum urmează din f.2.4 și Fig. 4, cu o creștere a rezistenței la sarcină, foto-emf crește, atingând în limită valoarea φ XX, iar fotocurentul scade. Puterea dată de generatorul fotovoltaic circuitului extern este egală cu Eu f · φ. Cu alegerea optimă a rezistenței circuitului extern, această putere va fi maximă (Fig. 4).

După cum urmează din Fig. 3, valoarea maximă a foto-emf nu poate depăși valoarea φ max ≈ E g / e, Unde E g – spațiu de bandă semiconductoare. De fapt, din mai multe motive pe care nu le-am luat în considerare în prima aproximare, valoarea maximă a foto-emf va fi de aproximativ 2/3 E g / e... Pentru celulele solare din siliciu (Si) cu o distanță de bandă E g≈ 1 eV, va fi egal cu φ max ≈600 mV, fotocelule din germaniu (Ge) φ max ≈400 mV, fotocelule din arsenid de galiu (GaAs) φ max ≈ 1 V. curenți - în paralel, formând astfel o baterie solară (Fig. 5.6).

Faceți distincția dintre efectul fotoelectric extern și cel extern. Efectul fotoelectric extern (efect fotoelectric) este emisia de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice. Efectul fotoelectric extern este observat la solide (metale, semiconductori, dielectrici), precum și la gaze și atomi și molecule individuale (fotoionizare). Efectul fotoelectric a fost descoperit (1887) de G. Hertz, care a observat forța procesului de descărcare atunci când fanta scânteia a fost iradiată cu radiații ultraviolete.

Primele studii fundamentale ale efectului fotoelectric au fost efectuate de omul de știință rus A.G. Stoletov. Doi electroni (catodul K din metalul în studiu și anodul A din schema lui Stoletov au folosit o rețea metalică) într-un tub de vid sunt conectați la o baterie, astfel încât cu ajutorul unui potențiometru R se pot modifica nu numai valorile, ci și semnul tensiunii aplicate acestora. Curentul care apare atunci când catodul este iluminat cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț) este măsurat de un miliammetru conectat la circuit. Prin iradierea catodului cu lumină de diferite lungimi de undă, Stoletov a stabilit următoarele regularități, care nu și-au pierdut semnificația până la vremea noastră:

1. Cel mai eficient efect îl exercită radiația ultravioletă.

2. Sub influența luminii, substanța pierde doar sarcini negative.

J.J. Thomas în 1898 a măsurat sarcina particulelor emise sub influența luminii (prin devierea în câmpurile electrice și magnetice). Aceste măsurători au arătat că electronii sunt produși prin acțiunea luminii.

Efect fotoelectric intern

Efectul fotoelectric intern este o tranziție liberă a electronilor în interiorul unui semiconductor sau dielectric din stările legate cauzate de radiația electromagnetică fără a scăpa în exterior. Ca urmare, concentrația purtătorilor de curent în interiorul corpului crește, ceea ce duce la apariția fotoconductivității (prin creșterea conductivității electrice a unui fotoconductor sau a unui dielectric atunci când este iluminat) sau la apariția unui emf.

Efect fotoelectric supapă

Efect fotoelectric al supapei - un emf (foto-emf) apare atunci când contactul a doi semiconductori diferiți sau a unui semiconductor și a unui metal este iluminat (în absența unui câmp electric extern). Efectul fotoelectric al supapei deschide astfel calea spre conversia directă a energiei solare în energie electrică.

Caracteristica curent-tensiune a efectului fotoelectric

Caracteristica curent-tensiune a efectului fotoelectric este dependența fotocurentului I format de fluxul de electroni emiși de catod sub acțiunea curentului asupra tensiunii U dintre electrozi. O astfel de dependență, corespunzătoare a două iluminări diferite E e ale catodului (frecvența luminii în ambele cazuri este aceeași). Pe măsură ce U crește, fotocurentul crește treptat, adică tot mai mulți fotoelectroni ajung la anod. Caracterul blând al curbelor arată că electronii sunt emiși din catod la viteze diferite. Valoarea maximă a curentului I sat - fotocurent de saturație - este determinată de o astfel de valoare a lui U, la care toți electronii emiși de catod ajung în anod.

Din caracteristica volt-ampere rezultă că fotocurentul nu dispare la U = 0. În consecință, electronii izbiți de lumina din catod au o anumită viteză inițială v și, prin urmare, o energie cinetică diferită de zero și pot ajunge la anod fără un câmp extern. Pentru ca fotocurentul să devină egal cu zero, este necesar să se aplice o tensiune de întârziere U 0. La U = U 0, niciunul dintre electroni, chiar având viteza maximă v max atunci când scapă din catod, nu poate depăși câmpul de întârziere și ajunge la anod. Prin urmare,

Unde n este numărul de electroni emiși de catod în 1s.

mv 2 max / 2 = e U 0

acestea. prin măsurarea tensiunii de reținere U0, se pot determina valorile maxime ale vitezei și energiei cinetice a fotoelectronilor.

Când sunt emise caracteristicile curent-tensiune ale diferitelor materiale (frecvența suprafeței este importantă, prin urmare, măsurătorile se efectuează în vid și pe suprafețe proaspete) la diferite frecvențe ale radiației incidente pe catod și iluminarea diferită a energiei catodului și generalizarea datelor obținute, au fost stabilite următoarele trei legi ale fotoefectului extern.