Vnútorný fotoelektrický efekt sú spôsobené elektromagnetickým žiarením prechody elektrónov vo vnútri polovodič alebo dielektrikum z viazaného do voľného stavu bez úniku von. V dôsledku toho sa koncentrácia nosičov prúdu vo vnútri tela zvyšuje, čo vedie k vzniku fotovodivosti - zvýšeniu elektrickej vodivosti polovodiča alebo dielektrika, keď je osvetlená.

Fotoelektrický efekt ventilu (druh vnútorného fotoelektrického efektu)

1. vznik EMF (foto-EMF) pri osvetlení kontaktu dvoch rôznych polovodičov alebo polovodiča a kovu (pri absencii vonkajšieho elektrického poľa). Fotoelektrický efekt ventilu sa používa v solárnych paneloch na priamu premenu slnečnej energie na elektrickú energiu.

Externý fotoelektrický efekt (emisia fotoelektrónu) sa nazýva emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia.

Schéma štúdia externého fotoelektrického efektu... Dve elektródy (katóda K vyrobená zo skúmaného kovu a anóda A) vo vákuovej trubici sú pripojené k batérii, aby bolo možné zmeniť nielen hodnotu, ale aj znak napätia, ktoré je na ne aplikované. Prúd, ktorý vzniká, keď je katóda osvetlená monochromatickým svetlom (cez kremenné okno), sa meria miliametrom pripojeným k obvodu. Fotoprúdová závislosť Ja generované prúdom elektrónov emitovaných katódou pôsobením svetla z napätia U medzi katódou a anódou sa nazýva voltampérová charakteristika fotoelektrického javu.

Ako sa U zvyšuje, fotoprúd sa postupne zvyšuje, až kým nedosiahne sýtosť. Maximálna aktuálna hodnota Ja us - saturačný fotoprúd - je určený takouto hodnotou U, pri ktorej všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu: Ja my = ru, kde n- počet elektrónov emitovaných katódou za 1 s. Pri U = O fotoprúd nie je

zmizne, pretože fotoelektróny pri úniku z katódy majú určitú počiatočnú rýchlosť. Aby sa fotoprúd rovnal nule, je potrebné použiť oneskorovacie napätie U 0. Pri U = U 0 žiadny z elektrónov, dokonca ani tie, ktoré majú maximálnu počiatočnú rýchlosť na výstupe, nemôže prekonať retardačné pole a dosiahnuť anódu:

t.j. meraním oneskorovacieho napätia U 0 je možné určiť maximálnu hodnotu rýchlosti υ max a kinetická energia K m os fotoelektrónov.

45. Zákony o fotoefektoch.

(1) Stoletovov zákon: pri fixnej ​​frekvencii dopadajúceho svetla je počet fotoelektrónov vyžarovaných fotokatódou za jednotku času úmerný intenzite svetla (saturačný fotoprúd je úmerný ožiareniu E e katódy).

(2) Maximálna počiatočná rýchlosť (maximálna počiatočná kinetická energia) fotoelektrónov nezávisí od intenzity dopadajúceho svetla, ale je určená iba jeho frekvenciou ν

(3) Pre každú látku je červený okraj fotoelektrického javu - minimálna frekvencia svetla (v závislosti od chemickej podstaty látky a stavu jej povrchu), pod ktorou je fotoefekt nemožný.

Na vysvetlenie mechanizmu fotoelektrického javu Einstein naznačil, že svetlo s frekvenciou ν nie je vyžarované iba oddelenými kvantami (podľa Planckovej hypotézy), ale sa šíri aj v priestore a je absorbované hmotou v oddelených častiach (kvanta), energiou čo je ε 0 = hν.

Kvanty elektromagnetického žiarenia pohybujúceho sa rýchlosťou šírenia svetla vo vákuu sa nazývajú fotóny.

Energia dopadajúceho fotónu sa vynakladá na elektrón vykonávajúci pracovnú funkciu A z kovu (pozri strany 3-31) a na prenos kinetickej energie do emitovaného fotoelektrónu. Einsteinova rovnica pre vonkajší fotoelektrický efekt:

Táto rovnica vysvetľuje závislosť kinetickej energie fotoelektrónov od frekvencie dopadajúceho svetla (2. zákon). Obmedzujúca frekvencia

(alebo) pri ktorej je kinetická

energia fotoelektrónov sa stáva nulovou a je tu červený okraj fotoelektrického efektu (3. zákon). Iná forma písania Einsteinovej rovnice

Obrázok ukazuje závislosť maximálnej kinetickej energie fotoelektrónov od frekvencie ožiareného svetla pre hliník, zinok a nikel. Všetky rovné čiary sú navzájom rovnobežné a derivácia d (eU 0) / dv nezávisí od katódového materiálu a je číselne rovná Planckovej konštante h. Segmenty odrezané na osi súradnice sú číselne rovnaké ako práca A uvoľňovanie elektrónov zo zodpovedajúcich kovov.

Fotoelektrický efekt je základom pôsobenia fotobuniek a fotorezistorov (fotorezistorov) vo fotoexponometroch, luxmetroch a zariadeniach na ovládanie a automatizáciu rôznych procesov, diaľkových ovládačov, ako aj polovodičových fotonásobičov a solárnych batérií.

Existencia fotónov bola demonštrovaná v Bothovom experimente. Tenká kovová fólia Ф umiestnená medzi dvoma čítačmi Сч vysielala röntgenové lúče pôsobením tvrdého ožiarenia. Ak by vyžarovaná energia bola distribuovaná rovnomerne vo všetkých smeroch, ako vyplýva z vlnových znázornení, potom by obidva počítadlá museli pracovať súčasne a na pohyblivom páse L so značkami M by sa objavili synchrónne značky. V skutočnosti by usporiadanie značiek bolo nepravidelné. V dôsledku toho sa v oddelených emisných aktoch rodia svetelné častice (fotóny), ktoré lietajú jedným alebo druhým smerom.

46. ​​Hmotnosť a hybnosť fotónu. Jednota korpuskulárnych a vlnových vlastností svetla.

Pomocou vzťahov získame výrazy pre energiu, hmotnosť a hybnosť fotónu

Tieto vzťahy spájajú kvantové (korpuskulárne) charakteristiky fotónu - hmotnosť, hybnosť a energiu - s vlnovou charakteristikou svetla - jeho frekvenciou.

Svetlo súčasne vlastní mávať vlastnosti, ktoré sa prejavujú v zákonoch jeho šírenia, interferencie, difrakcie, polarizácie a korpuskulárne, ktoré sa prejavujú v procesoch interakcie svetla s hmotou (emisia, absorpcia, rozptyl).

47. Mierny tlak.

Ak majú fotóny hybnosť, svetlo dopadajúce na telo musí naň vyvíjať tlak.

Nech tok monochromatického žiarenia frekvencie klesá kolmo na povrch. Ak N fotónov dopadne na 1 m 2 povrchu tela za 1 s, potom sa pri odrazovom koeficiente p svetla od povrchu tela odrazí ρ N. fotóny a (1-ρ) N. fotóny - budú absorbované. Každý absorbovaný fotón vysiela impulz na povrch p γ a každý odrazený fotón je -2 p γ

Tlak svetla na povrch sa rovná prenášanému impulzu

povrch v 1 s N fotónov

Energetické osvetlenie povrchu (energia všetkých fotónov dopadajúcich na jednotku povrchu za jednotku času). Objemové

hustota energie žiarenia :. Odtiaľ

Vlnová teória svetla na základe Maxwellových rovníc prichádza k rovnakému výrazu. Tlak svetla v teórii vĺn je vysvetlený skutočnosťou, že pri pôsobení elektrického poľa Elektróny elektromagnetických vĺn v kovu sa budú pohybovať v smere (označenom na obrázku) opak Magnetické pole elektromagnetická vlna pôsobí na pohybujúce sa elektróny Lorentzovou silou v smere (podľa pravidla ľavej ruky) kolmo na kovový povrch. Elektromagnetická vlna teda vyvíja tlak na kovový povrch.

48. Comptonov efekt.

Korpuskulárne vlastnosti svetla sa zreteľne prejavujú v Comptonovom efekte-elastickom rozptyle krátkovlnného elektromagnetického žiarenia (röntgenové lúče a žiarenie) voľnými (alebo slabo viazanými) elektrónmi hmoty sprevádzanými nárastom vlnovej dĺžky. Tento nárast je nezávislý na vlnovej dĺžke λ incidentu

Slnečná batéria- zariadenie na priamu premenu slnečnej energie na elektrickú energiu. Prevádzka solárnej batérie je založená na ventilovom fotoelektrickom efekte. (VFE). Fotoelektrický efekt ventilu- vznik EMF (foto-EMF) pri osvetlení konštrukcie pozostávajúcej z nepodobných prvkov. Komponenty takejto štruktúry môžu byť kovové a polovodičové (Schottkyho kontakt); dva polovodiče s rôznymi druhmi vodivosti ( p- n prechod); dva polovodiče, odlišné v chemickom zložení (heterostruktúra). Tento jav prvýkrát objavil L. Grundahl a nezávisle od neho B. Lange v roku 1930. [UFN, 1934] v Schottkyho kontaktoch na báze kovu meď a oxid meďnatý (Cu- Cu 2 O) ... Účinnosť takýchto zariadení však bola len niekoľko percent, takže v tej dobe nenašli široké využitie. Praktická aplikácia solárnych panelov ( So) boli získané vtedy, keď boli kontakty Schottky nahradené najskôr germániom, potom kremíkovými fotobunkami s p- n prechod, majúci výrazne vyššiu účinnosť. Solárne panely sa používali predovšetkým ako elektrické generátory v kozmických lodiach. Už tretí umelý satelit Zeme (1958) bol zásobovaný energiou zo solárnych batérií. V súčasnej dobe SB sú vyrábané v tomto odvetví, majú kapacitu desiatok kilowattov a účinnosť je batérie založené na heterostruktúrach vyrobených z nových polovodičových materiálov dosahujú 30%.

Fyzické základy fotoelektrického efektu ventilu

Fotoelektrický efekt ventilu je založený na dvoch základných javoch:

Interný fotoelektrický efekt - generovanie nerovnovážnych nosičov náboja, keď je polovodič ožarovaný elektromagnetickým žiarením s kvantovou energiou dostačujúcou na takúto generáciu (pozri prácu „Interný fotoelektrický efekt v homogénnych polovodičoch“). Maximálna účinnosť solárne články sú možné len v prípade „vnútornej fotovodivosti“, t.j. situácie, keď sa pri absorpcii kvanta svetla elektrón zmení z valenčného pásma do vodivého pásma a objaví sa pár nerovnovážnych nosičov náboja - elektrón a diera.

Tieto nerovnovážné nosiče náboja však nie sú priestorovo oddelené a foto-emf nevzniká, kým sa elektrón a diera v priestore neoddelia. Túto funkciu vykonáva kontakt medzi polovodičom a kovom (Schottkyho kontakt) alebo medzi polovodičmi ( p- n prechod, heterostruktúra)

Zvážte proces oddeľovania nerovnovážnych nosičov náboja na p- n prechod. Obrázok 1 ukazuje typický dizajn ventilovej fotobunky s p- n prechod (fotodióda), a na obr. 2 - zahrnutie fotobunky do vonkajšieho obvodu.

Pod osvetlením p- oblasť, do ktorej je žiarenie absorbované a generuje páry elektrón-diera. Pretože koncentrácia oboch nosičov je na povrchu maximálna, difundujú hlboko do p-Plochy, do p- n prechod. Elektróny (menšinové nosiče v R.-rozsahy) sú vrhané kontaktným poľom do n-rozloha, nabíjanie negatívne. Pre väčšinu nosičov náboja (v tomto prípade ide o diery) existuje na hranici potenciálnej bariéry, ktorú nie sú schopní prekonať, a preto diery zostávajú v p- oblasť, nabíjanie kladne. Elektrické pole kontaktu teda priestorovo oddeľuje nerovnovážné elektróny a otvory vytvorené pôsobením svetla. Dostávať sa do n-oblasť, elektróny v ňom znižujú kladný priestorový náboj a v ňom zostávajú otvory p- oblasti, znížte objemový negatívny náboj (pozri prácu „Kontaktné javy v polovodičoch“). To sa rovná podaniu p- n predpätie vpred prechod φ zníženie potenciálnej bariéry o množstvo eφ , kde e - elektrónový náboj (obr. 3).

Obr. 3 Osvetlenép- n-prechod. Potenciálna bariéra pre elektróny aj diery klesá o hodnotu foto-emf.

Pohyb elektrónov cez p-n-transition vytvorí stream fotografií - Ja F, ktorému, pretože je tvorený menšími nosičmi, je priradené záporné znamienko. Zníženie bariéry vedie k zvýšeniu prúdu väčšinových nosičov, ktorý sa vo fotobunkách nazýva unikajúci prúd

Ja o = Ja s exp(naprφ / kT). (1)

Križovatkou teda prechádzajú nasledujúce prúdy: menšinové nosiče: -Ja S, hlavní dopravcovia: Ja S exp (naprφ / kT) a fotoprúd: - Ja f . Celkový prúd cez p- n- prechod je

Ja = ja S (exp (eφ / kT) -1) - I f . (2)

Menší prúdový prúd

, (3)

kde a aké sú koncentrácie menšinových nosičov náboja; sú difúzne dĺžky; sú difúzne koeficienty elektrónov a dier. Fotoprúd v prvej aproximácii je úmerný osvetleniu fotobunky F.

Závislosť foto-emf fotobunky ventilu na vonkajšom zaťažení

Rovnica 2 popisuje charakteristiku prúdového napätia ideálnej fotodiódy. Podľa Ohmovho zákona je prúd vo vonkajšom obvode (obr. 2) rovný

Od (2) a (4) s otvoreným vonkajším obvodom, t.j. o R. →∞, dostaneme za foto-emf (foto-emf „nečinný“)

Ak je odpor zaťaženia malý ( R. →0), potom sa skratový prúd bude jednoducho rovnať fotoprúdu Ja kz = Ja F. Vonkajší pohľad na charakteristiku prúdového napätia ideálnej ventilovej fotobunky je znázornený na obr. 4.

Obr. Charakteristika prúdového napätia kremíkovej fotobunky. Boda na obrázku zodpovedá prevádzke s optimálnym vonkajším zaťažením (s najvyšším výkonom fotovoltaického generátora)

Ako vyplýva z f.2.4 a obr. 4, so zvýšením odporu voči zaťaženiu sa zvyšuje foto-emf, pričom v medziach dosahuje hodnotu φ XX, a fotoprúd klesá. Výkon poskytovaný fotovoltaickým generátorom vonkajšiemu obvodu je rovný Ja f · φ. Pri optimálnej voľbe odporu vonkajšieho obvodu bude tento výkon maximálny (obr. 4).

Ako vyplýva z obr. 3, maximálna hodnota foto-emf nesmie prekročiť hodnotu φ max ≈ E g / e, kde E g – medzera v polovodičovom pásme. V skutočnosti z niekoľkých dôvodov, ktoré sme v prvej aproximácii nebrali do úvahy, bude maximálna hodnota foto-emf približne 2/3 E g / e... Pre fotobunky vyrobené z kremíka (Si) s pásmovou medzerou E g≈ 1 eV, bude sa rovnať φ max ≈ 600 mV, fotobunky z germánia (Ge) φ max ≈ 400 mV, fotobunky z arzenidu gália (GaAs) φ max ≈ 1 V. prúdy - paralelne, čím sa vytvorí slnečná energia batériu (obr. 5.6).

Rozlišujte medzi vonkajším vnútorným a ventilovým fotoelektrickým efektom. Externý fotoelektrický efekt (fotoelektrický efekt) je emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia. Externý fotoefekt je pozorovaný v tuhých látkach (kovy, polovodiče, dielektrika), ako aj v plynoch a jednotlivých atómoch a molekulách (fotoionizácia). Fotoelektrický efekt objavil (1887) G. Hertz, ktorý pozoroval silu výbojového procesu pri ožarovaní iskrovej medzery ultrafialovým žiarením.

Prvé zásadné štúdie fotoelektrického efektu vykonal ruský vedec A.G. Stoletov. Dva elektróny (katóda K zo skúmaného kovu a anóda A v Stoletovovej schéme používala kovovú mriežku) vo vákuovej trubici sú spojené s batériou, takže pomocou potenciometra R je možné meniť nielen hodnoty, ale aj znak napätia, ktoré na ne pôsobí. Prúd, ktorý vzniká, keď je katóda osvetlená monochromatickým svetlom (cez kremenné okno), sa meria miliametrom pripojeným k obvodu. Ožarovaním katódy svetlom rôznych vlnových dĺžok Stoletov stanovil nasledujúce zákonitosti, ktoré až do našej doby nestratili svoj význam:

1. Najúčinnejší účinok má ultrafialové žiarenie.

2. Vplyvom svetla látka stráca iba negatívne náboje.

J J. Thomas v roku 1898 zmeral náboj častíc emitovaných vplyvom svetla (výchylkou v elektrických a magnetických poliach). Tieto merania ukázali, že elektróny sú produkované pôsobením svetla.

Vnútorný fotoelektrický efekt

Vnútorný fotoelektrický efekt je voľný prechod elektrónov vnútri polovodiča alebo dielektrika z viazaných stavov spôsobených elektromagnetickým žiarením bez úniku von. V dôsledku toho sa koncentrácia nosičov prúdu vo vnútri tela zvyšuje, čo vedie k vzniku fotoelektrickej vodivosti (zvýšením elektrickej vodivosti fotovodiča alebo dielektrika, keď je osvetlená) alebo vzhľadu emf.

Fotoelektrický efekt ventilu

Fotoelektrický efekt ventilu - emf (foto -emf) nastáva, keď sa rozsvieti kontakt dvoch rôznych polovodičov alebo polovodiča a kovu (pri absencii vonkajšieho elektrického poľa). Fotoelektrický efekt ventilu tak otvára cestu pre priamu premenu slnečnej energie na elektrickú energiu.

Charakteristika prúdového napätia fotoelektrického javu

Charakteristika prúdového napätia fotoelektrického javu je závislosť fotoprúdu I tvoreného tokom elektrónov emitovaných katódou pôsobením prúdu na napätie U medzi elektródami. Takáto závislosť, zodpovedajúca dvom rôznym osvetlením E e katódy (frekvencia svetla v oboch prípadoch je rovnaká). Ako sa U zvyšuje, fotoprúd sa postupne zvyšuje, t.j. na anódu sa dostáva stále viac fotoelektrónov. Jemný charakter kriviek ukazuje, že elektródy sú z katódy emitované rôznymi rýchlosťami. Maximálna hodnota prúdu I sat - saturačný fotoprúd - je určená takou hodnotou U, pri ktorej sa všetky elektróny emitované katódou dostanú na anódu.

Z charakteristiky voltampéra vyplýva, že fotoprúd nezmizne pri U = 0. V dôsledku toho majú elektróny vyrazené svetlom z katódy určitú počiatočnú rýchlosť v, a teda nenulovú kinetickú energiu, a môžu dosiahnuť anódu bez vonkajšieho poľa. Aby sa fotoprúd rovnal nule, je potrebné použiť oneskorovacie napätie U 0. Pri U = U 0 žiadny z elektrónov, dokonca aj pri maximálnej rýchlosti v max pri úniku z katódy, nemôže prekonať retardačné pole a dosiahnuť anódu. Preto,

Kde n je počet elektrónov emitovaných katódou za 1 s.

mv 2 max / 2 = e U 0

tí. meraním zadržiavacieho napätia U0 je možné určiť maximálne hodnoty rýchlosti a kinetickej energie fotoelektrónov.

Keď sú vyžarované charakteristiky prúdového napätia z rôznych materiálov (povrchová frekvencia je dôležitá, preto sa merania vykonávajú vo vákuu a na čerstvých povrchoch) pri rôznych frekvenciách žiarenia dopadajúceho na katódu a rôzneho energetického osvetlenia katódy a zovšeobecnenie získaných údajov, boli stanovené nasledujúce tri zákony vonkajšieho fotoefektu.