Vnútorný fotoelektrický efekt- sú spôsobené elektromagnetickým žiarením elektrónové prechody vo vnútri polovodič alebo dielektrikum z viazaných stavov do voľných bez vyletenia. V dôsledku toho sa zvyšuje koncentrácia nosičov prúdu vo vnútri tela, čo vedie k výskytu fotovodivosti - zvýšeniu elektrickej vodivosti polovodiča alebo dielektrika pri osvetlení.

Fotoefekt ventilu (typ vnútorného fotoefektu)

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

Vonkajší fotoelektrický efekt (emisia fotoelektrónov) je emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia.

Schéma na štúdium vonkajšieho fotoelektrického javu. Dve elektródy (katóda K zo skúmaného kovu a anóda A) vo vákuovej trubici sú pripojené k batérii, takže môžete meniť nielen hodnotu, ale aj znamienko napätia, ktoré je na ne privedené. Prúd generovaný pri osvetlení katódy monochromatickým svetlom (cez kremenné okienko) sa meria miliampérmetrom zapojeným do obvodu. Závislosť na fotoprúde ja, tvorený tokom elektrónov emitovaných katódou pod vplyvom svetla, z napätia U medzi katódou a anódou sa nazýva prúdovo-napäťová charakteristika fotoelektrického javu.

Keď sa U zvyšuje, fotoprúd sa postupne zvyšuje, až kým nedosiahne saturáciu. Maximálna hodnota prúdu ja us - saturačný fotoprúd - je určený touto hodnotou u, v ktorom všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu: ja nás = en, Kde n- počet elektrónov vyžiarených katódou za 1s. Keď U = O fotoprúd nie je

zmizne, pretože fotoelektróny, keď opúšťajú katódu, majú určitú počiatočnú rýchlosť. Aby sa fotoprúd stal nulovým, je potrebné použiť spomaľovacie napätie U 0 . Pri U = U 0 žiadny z elektrónov, dokonca ani tie s maximálnou počiatočnou rýchlosťou pri odchode, nemôže prekonať retardačné pole a dosiahnuť anódu:

t.j. meraním oneskorenia napätia U 0 môžete určiť maximálnu hodnotu rýchlosti υ max a kinetickej energie K m ax fotoelektrónov.

45. Zákony fotoelektrického javu.

(1) Stoletov zákon: pri pevnej frekvencii dopadajúceho svetla je počet fotoelektrónov emitovaných fotokatódou za jednotku času úmerný intenzite svetla (sila saturačného fotoprúdu je úmerná ožiarenosti 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 existuje červená hranica fotoelektrického javu - minimálna frekvencia svetla (v závislosti od chemickej povahy látky a stavu jej povrchu), pod ktorou je fotoelektrický jav nemožný.

Na vysvetlenie mechanizmu fotoelektrického javu Einstein navrhol, že svetlo s frekvenciou ν nie je len emitované jednotlivými kvantami (podľa Planckovej hypotézy), ale šíri sa aj v priestore a je absorbované hmotou v jednotlivých častiach (kvantách), pričom energia čo je ε 0 = hν.

Kvanty elektromagnetického žiarenia, ktoré sa pohybujú rovnakou rýchlosťou ako sa šíri svetlo vo vákuu, sa nazývajú fotóny.

Energia dopadajúceho fotónu sa spotrebuje na elektrón, ktorý vykoná prácu výstupu A z kovu (pozri str. 3-31) a na odovzdanie kinetickej energie emitovanému fotoelektrónu. Einsteinova rovnica pre vonkajší fotoelektrický jav:

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

(alebo ), pri ktorom je kinetický

energia fotoelektrónov sa stáva nulovou a existuje červený limit fotoelektrického javu (3. zákon). Ďalšia forma písania Einsteinovej rovnice

Na obrázku je znázornená závislosť maximálnej kinetickej energie fotoelektrónov od frekvencie vyžarujúceho svetla pre hliník, zinok a nikel. Všetky priamky sú navzájom rovnobežné a derivácia d(eU 0)/dv nezávisí od materiálu katódy a je číselne rovná Planckovej konštante h. Segmenty odrezané na osi y sa číselne rovnajú práci A uvoľňovanie elektrónov z príslušných kovov.

Účinok fotobuniek a fotorezistorov (fotorezistorov) vo fotoexpozimetroch, luxmetroch a riadiacich a automatizačných zariadeniach pre rôzne procesy, konzoly je založený na fenoméne fotoelektrického javu. diaľkové ovládanie, ako aj polovodičové fotonásobiče a solárne články.

Existencia fotónov bola preukázaná v Botheho experimente. Tenká kovová fólia F, umiestnená medzi dvoma Sch čítačmi, vyžarovala röntgenové lúče pod vplyvom silného ožiarenia. Ak by sa vyžarovaná energia rozložila rovnomerne do všetkých smerov, ako vyplýva z vlnových konceptov, museli by obe počítadlá fungovať súčasne a na pohyblivom páse A by sa objavili synchrónne značky so značkami M. V skutočnosti by umiestnenie značiek bolo náhodný. V dôsledku toho sa v jednotlivých aktoch emisie rodia častice svetla (fotóny), ktoré lietajú jedným alebo druhým smerom.

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

Pomocou vzťahov získame vyjadrenia pre energiu, hmotnosť a hybnosť fotónu

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

Svetlo má zároveň mávať vlastnosti, ktoré sa prejavujú vo vzorcoch jeho šírenia, interferencii, difrakcii, polarizácii a korpuskulárne, ktoré sa prejavujú v procesoch interakcie svetla s hmotou (emisia, absorpcia, rozptyl).

47. Ľahký tlak.

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

Nechajte tok monochromatického frekvenčného žiarenia dopadať kolmo na povrch. Ak N fotónov dopadne na 1 m 2 povrchu telesa za 1 s, tak s koeficientom odrazu p svetla sa od povrchu telesa odrazí ρ. N fotóny a (1-ρ) N fotóny – budú absorbované. Každý absorbovaný fotón prenáša hybnosť na povrch p y a každý odrazený fotón je -2 p y

Svetelný tlak na povrch sa rovná vyslanému impulzu

povrchy v 1s N fotónoch

Energetické osvetlenie povrchu (energia všetkých fotónov dopadajúcich na jednotkový povrch za jednotku času). Objemový

hustota energie žiarenia: . Odtiaľ

Vlnová teória svetla, založená na Maxwellových rovniciach, prichádza k rovnakému výrazu. Tlak svetla vo vlnovej teórii sa vysvetľuje tým, že pod vplyvom elektrického poľa elektromagnetickej vlny sa elektróny v kove budú pohybovať v smere (uvedené na obrázku) oproti Magnetické pole Elektromagnetická vlna pôsobí na pohybujúce sa elektróny Lorentzovou silou v smere (podľa pravidla ľavej ruky) kolmom na povrch kovu. teda elektromagnetická vlna vyvíja tlak na kovový povrch.

48. Comptonov efekt.

Korpuskulárne vlastnosti svetla sa zreteľne prejavujú v Comptonovom efekte – elastickom rozptyle krátkovlnného elektromagnetického žiarenia (röntgenového a -žiarenia) na voľných (alebo slabo viazaných) elektrónoch látky, sprevádzanom zvýšením vlnovej dĺžky. Toto zvýšenie nezávisí od vlnovej dĺžky λ incidentu

Solárna batéria– zariadenie na priamu premenu energie slnečného žiarenia na elektrická energia. Prevádzka solárnej batérie je založená na fotoelektrickom efekte ventilu (VFE). Fotoefekt ventilu– výskyt EMP (fotoEMF) pri osvetlení konštrukcie pozostávajúcej z odlišných prvkov. Komponenty takejto štruktúry môžu byť kov a polovodič (Schottkyho kontakt); dva polovodiče s rôznymi typmi vodivosti ( p- n prechod); dva polovodiče, rozdielne v chemické zloženie(heterostruktúra). Prvýkrát tento jav objavil L. Grundahl a nezávisle od neho v roku 1930 B. Lange. [UFN, 1934] v Schottkyho kontaktoch na báze kovu oxid meďnatý a meďnatý (Cu- Cu 2 O) . Účinnosť takýchto zariadení však bola len niekoľko percent, preto sa v tom čase ešte veľmi nepoužívali. Praktická aplikácia solárnych panelov ( SB) boli získané, keď boli Schottkyho kontakty nahradené najskôr germániom a potom kremíkové fotobunky p- n prechod, s výrazne vyššou účinnosťou. Solárne panely sa primárne používali ako elektrické generátory na kozmických lodiach. Už tretí umelý satelit Zeme (1958) bol zásobovaný energiou zo solárnych panelov. V súčasnosti sú SB vyrábané priemyslom, majú výkon desiatky kilowattov a účinnosť. batérie na báze heteroštruktúr z nových polovodičových materiálov dosahuje 30 %.

Fyzikálny základ fotoelektrického javu brány

Fotoelektrický efekt brány je založený na dvoch základných javoch:

Vnútorný fotoelektrický jav je generovanie nerovnovážnych nosičov náboja, keď je polovodič ožiarený elektromagnetickým žiarením s kvantovou energiou dostatočnou na takéto generovanie (pozri prácu „Vnútorný fotoefekt v homogénnych polovodičoch“). Maximálna účinnosť solárne články je možné len v prípade „vlastnej fotovodivosti“, t.j. situácie, keď pri absorpcii svetelného kvanta elektrón prechádza z valenčného pásma do vodivého a vzniká pár nerovnovážnych nosičov náboja - elektrón a diera.

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

Uvažujme o procese oddeľovania nerovnovážnych nosičov náboja p- n prechod. Obrázok 1 znázorňuje typický dizajn hradlovej fotobunky s p- n prechod (fotodióda), a na obr. 2 - zahrnutie fotobunky do vonkajšieho obvodu.

Pri osvetlení p– oblasť, v nej sa absorbuje žiarenie a vytvára páry elektrón-diera. Keďže koncentrácia týchto a iných nosičov je maximálna na povrchu, difundujú hlbšie p–regióny, do p- n prechod. Elektróny (menšinové nosiče v R-plochy) sa prenášajú kontaktným poľom na n-oblasť, nabíjanie to negatívne. Pre hlavné nosiče náboja (v tomto prípade ide o diery) existuje na hranici potenciálna bariéra, ktorú nie sú schopné prekonať, a preto diery zostávajú v p- plocha, kladne ju nabíja. Elektrické pole kontaktu teda priestorovo oddeľuje nerovnovážne elektróny a diery vzniknuté vplyvom svetla. Dostávať sa do n-oblasť, elektróny v nej znižujú kladný priestorový náboj a zostávajúce diery p-regióny, znížte objemový záporný náboj (pozri prácu „Kontaktné javy v polovodičoch“). To je ekvivalentné s podaním žiadosti p- n prechod predpätia φ zníženie potenciálnej bariéry o určitú sumu eφ , Kde e - náboj elektrónu (obr. 3).

Obr. 3. Osvetlenép- n-prechod. Potenciálna bariéra pre elektróny aj diery klesá o množstvo fotonapätia.

Pohyb elektrónov cez p-n- prechodom vzniká fotoprúd - ja F, ktorý, keďže ho produkujú menšinoví rečníci, má priradené záporné znamienko. Zníženie bariéry vedie k zvýšeniu prúdu hlavných nosičov, ktoré sa vo fotobunkách nazývajú unikajúci prúd

ja pri = ja s exp(naprφ / kT). (1)

Cez križovatku teda prechádzajú nasledujúce prúdy: menšinové nosiče: -Ja S, hlavné médiá: ja S exp(naprφ /kT) a fotoprúd:– ja f . Celkový prietok p-n- prechod sa rovná

ja = ja S (exp(eφ/kT) -1) - I f . (2)

Menšinový nosný prúd

, (3)

kde a sú koncentrácie menšinových nosičov náboja, sú difúzne dĺžky a sú difúzne koeficienty elektrónov a dier. Fotoprúd je na prvé priblíženie úmerný osvetleniu fotobunky F.

Závislosť fotoEMF fotobunky ventilu od vonkajšieho zaťaženia

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

Z (2) a (4) s otvoreným vonkajším okruhom, t.j. pri R →∞, získame pre photoEMF (photoEMF „no-load“)

Ak je odpor zaťaženia malý ( R →0), potom sa skratový prúd bude jednoducho rovnať fotoprúdu ja kz = ja F. Vzhľad prúdovo-napäťovej charakteristiky ideálnej hradlovej fotobunky je znázornený na obr. 4.

Obr.4. Prúdovo-napäťové charakteristiky kremíkovej fotobunky. BodkaA na obrázku zodpovedá prevádzke s optimálnou externou záťažou (s najvyšším výkonom fotovoltaického generátora)

Ako vyplýva z f.2.4 a obr.4, so zvyšujúcim sa zaťažovacím odporom sa fotoEMF zvyšuje a dosahuje hraničnú hodnotu φ XX a fotoprúd sa zníži. Výkon dodávaný fotoelektrickým generátorom do vonkajšieho 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 fotoEMF nemôže prekročiť hodnotu φ max ≈ E g / e, Kde E g – zakázané pásmo polovodiča. V skutočnosti z viacerých dôvodov, ktoré sme pri prvej aproximácii nezohľadnili, bude maximálna hodnota fotovoltaického napätia približne 2/3 E g / e. Pre kremíkové (Si) solárne články s bandgap E g≈ 1 eV sa bude rovnať φ max ≈ 600 mV, fotobunky z germánia (Ge) φ max ≈400 mV, fotobunky z arzenidu gália (GaAs) φ max ≈ 1 V. Na získanie vysokého napätia sú fotobunky zapojené do série navzájom, aby sa získali vysoké prúdy - paralelne, čím sa vytvorí solárna batéria (obr. 5,6).

Existujú vonkajšie vnútorné a ventilové fotoefekty. Vonkajší fotoelektrický jav (fotoelektrický jav) je emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia. Vonkajší fotoelektrický efekt sa pozoruje v pevných látkach (kovy, polovodiče, dielektrika), ako aj v plynoch a jednotlivých atómoch a molekulách (fotoionizácia). Fotoelektrický jav objavil (1887) G. Hertz, ktorý pozoroval silu výbojového procesu pri ožiarení iskriska ultrafialovým žiarením.

Prvé zásadné štúdie fotoelektrického javu uskutočnil ruský vedec A.G. Stoletov. Dva elektróny (katóda K vyrobená zo skúmaného kovu a anóda A v Stoletovovej schéme bola použitá kovová sieťka) vo vákuovej trubici sú pripojené k batérii, takže pomocou potenciometra R môžete meniť nielen hodnoty, ale aj znamienko napätia, ktoré je na ne aplikované. Prúd generovaný pri osvetlení katódy monochromatickým svetlom (cez kremenné okienko) sa meria miliampérmetrom zapojeným do obvodu. Ožiarením katódy svetlom rôznych vlnových dĺžok Stoletov vytvoril nasledujúce vzory, ktoré dodnes nestratili svoj význam:

1. Najefektívnejšie pôsobí ultrafialové žiarenie.

2. Pri vystavení svetlu látka stráca iba záporné náboje.

J J. Thomas v roku 1898 zmeral náboj častíc emitovaných vplyvom svetla (odchýlkou ​​v elektrickom a magnetickom poli). Tieto merania ukázali, že pri vystavení svetlu vznikali elektróny.

Vnútorný fotoelektrický efekt

Vnútorný fotoelektrický jav je voľný prechod elektrónov vo vnútri polovodiča alebo dielektrika z viazaných stavov spôsobených elektromagnetickým žiarením bez úniku von. V dôsledku toho sa zvyšuje koncentrácia nosičov prúdu vo vnútri tela, čo vedie k výskytu fotovodivosti (zvýšenie elektrickej vodivosti fotovodiča alebo dielektrika pri osvetlení) alebo vzniku emf.

Fotoefekt ventilu

Fotoelektrický efekt brány - emf (fotoemf) nastáva, keď je kontakt dvoch rôznych polovodičov alebo polovodiča a kovu osvetlený (pri absencii vonkajšieho elektrického poľa). Fotoelektrický efekt ventilu tak otvára cestu k priamej premene slnečnej energie na elektrickú energiu

Prúdovo-napäťové charakteristiky fotoelektrického javu

Prúdovo-napäťová charakteristika fotoelektrického javu je závislosť fotoprúdu I generovaného tokom elektrónov emitovaných katódou pod vplyvom prúdu od napätia U medzi elektródami. Táto závislosť zodpovedá dvom rôznym osvetlením E e katódy (frekvencia svetla je v oboch prípadoch rovnaká). Pri zvyšovaní U sa postupne zvyšuje fotoprúd, t.j. Všetky väčšie číslo fotoelektróny dosiahnu anódu. Plochý charakter kriviek ukazuje, že elektróny sú emitované z katódy rôznymi rýchlosťami. Maximálna hodnota prúdu I us - saturačný fotoprúd - je určená hodnotou U, pri ktorej všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu.

Z prúdovo-napäťovej charakteristiky vyplýva, že pri U = 0 fotoprúd nezaniká. V dôsledku toho elektróny vyrazené z katódy svetlom majú určitú počiatočnú rýchlosť v, a teda nenulovú kinetickú energiu, a môžu dosiahnuť anódu bez vonkajšieho poľa. Aby sa fotoprúd stal nulovým, je potrebné použiť oneskorené napätie U 0 . Pri U = U 0 nemôže žiadny z elektrónov, dokonca ani tie s maximálnou rýchlosťou v max pri opustení katódy, prekonať retardačné pole a dosiahnuť anódu. teda

Kde n je počet elektrónov emitovaných katódou za 1s.

mv 2 max /2= e U 0

tie. Meraním obmedzujúceho napätia U0 je možné určiť maximálne hodnoty rýchlosti a kinetickej energie fotoelektrónov.

Pri vyžarovaní prúdovo-napäťových charakteristík rôznych materiálov (frekvencia povrchu je dôležitá, preto sa merania vykonávajú vo vákuu a na čerstvých povrchoch) pri rôznych frekvenciách žiarenia dopadajúceho na katódu a rôznych energetických osvetlení katódy a zovšeobecnenie na základe získaných údajov boli stanovené nasledujúce tri zákony vonkajšieho fotoelektrického javu.