Efect fotoelectric intern- sunt cauzate de radiatii electromagnetice tranziții de electroni în interior semiconductor sau dielectric de la stări legate la cele libere fără a zbura. Ca rezultat, concentrația purtătorilor de curent în interiorul corpului crește, ceea ce duce la apariția fotoconductivității - o creștere a conductibilității electrice a unui semiconductor sau a dielectricului atunci când este iluminat.

Fotoefect de supapă (un tip de fotoefect 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 de poartă este utilizat în celulele solare pentru a transforma direct energia solară în energie electrică.

Efect fotoelectric extern (emisie de fotoelectroni) este emisia de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice.

Schema de studiu a efectului fotoelectric extern. Doi electrozi (catodul K din metalul studiat și anodul A) într-un tub vidat sunt conectate la baterie, astfel încât să puteți modifica nu numai valoarea, ci și semnul tensiunii aplicate acestora. Curentul generat atunci când catodul este iluminat cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț) este măsurat de un miliampermetru conectat la circuit. Dependenta de fotocurent eu, formată din fluxul de electroni emiși de catod sub influența luminii, din tensiune Uîntre catod și anod se numește caracteristica curent-tensiune a efectului fotoelectric.

Pe măsură ce U crește, fotocurentul crește treptat până ajunge la saturație. Valoarea maximă a curentului eu us - fotocurent de saturație - este determinat de această valoare U,în care toți electronii emiși de catod ajung la anod: eu noi = ro, Unde n- numărul de electroni emiși de catod în 1s. Când U = O fotocurent nu este

dispare, deoarece fotoelectronii, la iesirea din catod, au o anumita viteza initiala. Pentru ca fotocurentul să devină zero, este necesar să se aplice o tensiune de întârziere U 0 . La U = U 0, niciunul dintre electroni, chiar și cei cu viteza inițială maximă la plecare, nu poate depăși câmpul de întârziere și ajunge la anod:

adică prin măsurarea tensiunii de întârziere U 0, puteți determina valoarea maximă a vitezei υ maxși energia cinetică K m ax a fotoelectronilor.

45. Legile efectului fotoelectric.

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

(2) Viteza maximă inițială (energie 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 limită roșie a efectului fotoelectric - frecvența minimă a luminii (în funcție de natura chimică a substanței și de starea suprafeței acesteia), sub care efectul fotoelectric este imposibil.

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

Quantele de radiație electromagnetică care se mișcă cu aceeași viteză cu propagarea luminii în vid se numesc fotoni.

Energia fotonului incident este cheltuită pe electron pentru a efectua munca de ieșire A din metal (vezi p. 3-31) și pentru a conferi energie cinetică fotoelectronului emis. Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern:

Această ecuație explică dependența energiei cinetice a fotoelectronilor de frecvența luminii incidente (a doua lege). Frecvența limită

(sau ), la care cinetica

energia fotoelectronilor devine zero și există o limită roșie a efectului fotoelectric (a treia lege). O altă formă de scriere a ecuației Einstein

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

Efectul fotocelulelor și fotorezistoarelor (fotorezistoarelor) în fotoexpunere, luxmetre și dispozitive de control și automatizare pentru diverse procese, console se bazează pe fenomenul efectului fotoelectric. telecomandă, precum și tuburi fotomultiplicatoare semiconductoare și celule solare.

Existența fotonilor a fost demonstrată în experimentul lui Bothe. O folie metalică subțire F, situată între două contoare Sch, a emis raze X sub influența iradierii dure. Dacă energia emisă ar fi distribuită uniform în toate direcțiile, după cum reiese din conceptele de val, atunci ambele contoare ar trebui să funcționeze simultan, iar pe centura în mișcare A ar apărea semne sincrone cu marcajele M. În realitate, locația semnelor ar fi Aleatoriu. 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 ondulatorii ale luminii.

Folosind relațiile, obținem expresii pentru energia, masa și impulsul fotonului

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

Lumina are în același timp val proprietăți care se manifestă în modelele de propagare, interferență, difracție, polarizare și corpuscular, care se manifestă în procesele de interacțiune a luminii cu materia (emisie, absorbție, împrăștiere).

47. Presiune ușoară.

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

Lăsați fluxul de radiație de frecvență monocromatică să cadă perpendicular pe suprafață. Dacă N fotoni cad pe 1 m 2 din suprafața unui corp în 1 s, atunci cu un coeficient de reflexie p al luminii, ρ va fi reflectat de la suprafața corpului N fotoni și (1-ρ) N fotonii – vor fi absorbiți. Fiecare foton absorbit transferă impuls la suprafață p γ, iar fiecare foton reflectat este -2 p γ

Presiunea ușoară pe suprafață este egală cu impulsul transmis

suprafețe în 1s N fotoni

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

densitatea energiei radiatiilor: . De aici

Teoria ondulatorie a luminii, bazată pe ecuațiile lui Maxwell, ajunge la aceeași expresie. Presiunea luminii în teoria undelor se explică prin faptul că sub influența unui câmp electric unde electromagnetice, electronii din metal se vor mișca în direcția (indicată în imagine) vizavi Un câmp magnetic O undă electromagnetică acționează asupra electronilor în mișcare cu o forță Lorentz în direcția (conform regulii stângii) perpendiculară pe suprafața metalului. Prin urmare, unde electromagnetice exercită presiune asupra suprafeței metalice.

48. Efectul Compton.

Proprietățile corpusculare ale luminii se manifestă clar în efectul Compton - împrăștierea elastică a radiațiilor electromagnetice cu undă scurtă (raze X și -radiații) pe electronii liberi (sau slab legați) ai unei substanțe, însoțită de o creștere a lungimii de undă. Această creștere nu depinde de lungimea de undă λ a incidentului

Baterie solară– un dispozitiv pentru transformarea directă a energiei radiațiilor solare în energie electrica. Funcționarea unei baterii solare se bazează pe efectul fotoelectric al supapei (VFE). Fotoefect de supapă– apariția EMF (photoEMF) la iluminarea unei structuri constând 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 compoziție chimică(heterostructură). Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată de L. Grundahl și, independent de el, B. Lange în 1930. [UFN, 1934] în Contacte Schottky pe bază de metal cupru și oxid cupros (Cu- Cu 2 O) . Cu toate acestea, eficiența unor astfel de dispozitive era de doar câteva procente, așa că nu erau utilizate pe scară largă la acea vreme. Aplicarea practică a panourilor solare ( SB) au fost obținute când contactele Schottky au fost înlocuite mai întâi cu germaniu, apoi fotocelule cu siliciu p- n tranziție, având o eficiență semnificativ mai mare. Panourile solare au fost folosite în principal ca generatoare electrice pe nave spațiale. Deja cel de-al treilea satelit artificial al Pământului (1958) era alimentat cu energie de la panouri solare. În prezent, SB-urile sunt produse de industrie, au o putere de zeci de kilowați și eficiență. bateriile bazate pe heterostructuri din materiale semiconductoare noi ajunge la 30%.

Baza fizică a efectului fotoelectric al porții

Efectul fotoelectric de poartă se bazează pe două fenomene fundamentale:

Efectul fotoelectric intern este generarea de purtători de sarcină neechilibrați atunci când un semiconductor este iradiat cu radiație electromagnetică cu o energie cuantică suficientă pentru o astfel de generare (vezi lucrarea „Fotoefectul intern în semiconductori omogene”). Eficiență maximă celulele solare este posibilă 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 neechilibrați - un electron și o gaură.

Dar acești purtători de sarcină neechilibrați nu sunt separați spațial și fotoEMF nu apare până când electronul și gaura nu sunt separate în spațiu. Această funcție este îndeplinită prin contactul dintre semiconductor și metal (contact Schottky) sau între semiconductori ( p- n tranziție, heterostructură)

Să luăm în considerare procesul de separare a purtătorilor de sarcină neechilibrați în p- n tranziție. Figura 1 prezintă un design tipic al unei fotocelule cu porți p- n tranziție (fotodiodă), iar în Fig. 2 - includerea unei fotocelule într-un circuit extern.

Când este iluminat p– regiune, radiația este absorbită în ea și generează perechi electron-gaură. Deoarece concentrația acestor și a altor purtători este maximă la suprafață, ei difuzează mai adânc p–regiuni, la p- n tranziție. Electroni (purtători minoritari în R-zone) sunt transferate prin câmpul de contact către n-zonă, încărcându-l negativ. Pentru purtătorii de sarcină principali (în acest caz, acestea sunt găuri) există o barieră potențială la graniță pe care nu o pot depăși și, prin urmare, găurile rămân în p- zonă, încărcându-l pozitiv. Astfel, câmpul electric al contactului separă spațial electronii neechilibrați și găurile formate sub influența luminii. Intrând în n-regiune, electronii reduc sarcina spațială pozitivă din ea, iar găurile rămase în ea p-regiuni, reduc sarcina negativă volumetrică (vezi lucrarea „Fenomene de contact în semiconductori”). Acest lucru este echivalent cu depunerea pentru p- n tranziție de părtinire înainte φ , scăzând bariera potențială cu o sumă eφ , Unde e - sarcina electronilor (Fig. 3).

Fig. 3. Iluminatp- n-tranziție. Bariera de potențial atât pentru electroni, cât și pentru găuri scade cu cantitatea de fototensiune.

Mișcarea electronilor prin p-n- tranziția creează un fotocurent - eu F, care, deoarece este produs de vorbitori minoritari, i se atribuie un semn negativ. Coborârea barierei duce la o creștere a curentului purtătorilor principali, care în fotocelule se numește curent de scurgere

eu la = eu s exp(eφ / kT). (1)

Astfel, prin joncțiune curg următorii curenți: purtători minoritari: -Eu S, media principală: eu S exp(exφ /kT)și fotocurent:– eu f . Curent total prin p-n- tranziția este egală cu

eu = eu S (exp(eφ/kT) -1) - I f . (2)

Curentul purtător minoritar

, (3)

unde și sunt concentrațiile purtătorilor de sarcină minoritari; sunt lungimile de difuzie și sunt coeficienții de difuzie ai electronilor și găurilor. Fotocurentul este, într-o primă aproximare, proporțional cu iluminarea fotocelulei F.

Dependența fotoEMF a unei fotocelule de supapă 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

De la (2) și (4) cu circuitul extern deschis, adică. la R →∞, obținem pentru photoEMF (photoEMF „no-load”)

Dacă rezistența la sarcină este mică ( R →0), atunci curentul de scurtcircuit va fi pur și simplu egal cu fotocurentul eu kz = eu F. Aspectul caracteristicii curent-tensiune a unei fotocelule de poartă ideală este prezentat în Fig. 4.

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

După cum rezultă din f.2.4 și Fig.4, cu creșterea rezistenței la sarcină, fotoEMF crește, atingând valoarea limită φ XX, iar fotocurentul scade. Puterea furnizată de generatorul fotoelectric circuitului extern este egală cu eu f · φ. Cu o alegere optimă a rezistenței circuitului extern, această putere va fi maximă (Fig. 4).

După cum urmează din Fig. 3, valoarea maximă a fotoEMF nu poate depăși valoarea φ max ≈ E g / e, Unde E g – banda interzisă a unui semiconductor. De fapt, din cauza unui număr de motive pe care nu le-am luat în considerare în prima aproximare, valoarea maximă a fototensiunii va fi de aproximativ 2/3. E g / e. Pentru celule solare cu siliciu (Si) cu bandgap E g≈ 1 eV va fi egal cu φ max ≈600 mV, fotocelule din germaniu (Ge) φ max ≈400 mV, fotocelule din arseniura de galiu (GaAs) φ max ≈ 1 V. Pentru a obține tensiuni înalte, fotocelulele sunt conectate în serie la reciproc, pentru a obține curenți mari – în paralel, formând astfel o baterie solară (Fig. 5,6).

Există fotoefecte externe interne și de supapă. Efectul fotoelectric extern (efectul fotoelectric) este emisia de electroni de către o substanță sub influența radiației electromagnetice. Efectul fotoelectric extern se observă în solide (metale, semiconductori, dielectrici), precum și în gaze și atomi și molecule individuali (fotoionizare). Efectul fotoelectric a fost descoperit (1887) de G. Hertz, care a observat forța procesului de descărcare atunci când eclatorul a fost iradiat 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 studiat și anodul A în schema lui Stoletov, s-a folosit o plasă metalică) într-un tub vidat sunt conectați la baterie, astfel încât folosind potențiometrul R puteți schimba nu numai valorile, ci și semnul. a tensiunii aplicate acestora. Curentul generat atunci când catodul este iluminat cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț) este măsurat de un miliampermetru conectat la circuit. Prin iradierea catodului cu lumină de diferite lungimi de undă, Stoletov a stabilit următoarele modele care nu și-au pierdut sensul până în prezent:

1. Radiațiile ultraviolete au cel mai eficient efect.

2. Când este expusă la lumină, o substanță pierde doar sarcini negative.

J.J. Thomas în 1898 a măsurat sarcina particulelor emise sub influența luminii (prin deviație în câmpurile electrice și magnetice). Aceste măsurători au arătat că electronii au fost produși atunci când sunt expuși la lumină.

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 (o creștere a conductibilității electrice a unui fotoconductor sau a dielectricului atunci când este iluminat) sau la apariția emf.

Fotoefect de supapă

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

Caracteristicile curent-tensiune ale efectului fotoelectric

Caracteristica curent-tensiune a efectului fotoelectric este dependența fotocurentului I generat de fluxul de electroni emis de catod sub influența curentului asupra tensiunii U dintre electrozi. Această dependență corespunde la două iluminări diferite E e ale catodului (frecvența luminii este aceeași în ambele cazuri). Pe măsură ce U crește, fotocurentul crește treptat, adică. Toate număr mai mare fotoelectronii ajung la anod. Natura plană a curbelor arată că electronii sunt emiși din catod la viteze diferite. Valoarea maximă a curentului I us - fotocurent de saturație - este determinată de valoarea lui U la care toți electronii emiși de catod ajung la anod.

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

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

mv 2 max /2= e U 0

acestea. Măsurând tensiunea de restricție U0, este posibil să se determine valorile maxime ale vitezei și energiei cinetice a fotoelectronilor.

La emiterea caracteristicilor curent-tensiune ale diferitelor materiale (frecvența suprafeței este importantă, prin urmare măsurătorile se efectuează în vid și pe suprafețe proaspete) la diferite frecvențe de radiație incidente pe catod și diferite iluminări energetice ale catodului și generalizarea datele obținute au fost stabilite următoarele trei legi ale efectului fotoelectric extern.