Фотоэффект

Влияние света на протекание электрических про­цессов было впервые описано Герцем (1887 г.), который заметил, что электри­ческий разряд ме­жду заряженными цинковыми шариками значи­тельно облегчается, если один из них осветить ультрафиолетовым светом. Дальнейшее подроб­ное изучение влияния света на заря­женные тела было проведено в период с 1888 по 1890 г. про­фес­сором Московского университета А.Г. Столе­товым. Это явление он назвал актино­электриче­ским. В настоящее время оно называ­ется фото­эффектом.

Фотоэффектом называется освобождение (полное или час­тичное) электронов от связей с атомами и молекулами веще­ства под воз­действием различного вида излучений.

Если электроны выходят за пределы освещае­мого вещества (полное освобождение), то фото­эффект называется внешним. Если же электроны теряют связь только со своими атомами и мо­ле­кулами, но остаются внутри освещаемого веще­ства, увеличивая тем самым электропроводность, то фотоэффект называется внут­ренним. Внеш­ний фотоэффект наблюдается у металлов, а внут­ренний чаще всего у полупро­водников. Экспе­риментальные исследования, выполненные А.Г. Столе­товым, а так же другими учеными, привели к установлению сле­дующих основных законов внешнего фотоэффекта.

I закон: Фототок насыщения j (т.Е. Макси­мальное число электронов, освобождаемых светом в 1с) прямо пропорционален световому потоку ф.

J = kФ

где k - коэффициент пропорциональности, на­зываемый фо­точувствительностью осве­щаемой поверхности и измеряется мкА / лм.

II закон: Скорость фотоэлектронов пропор­ционально возрастает с увеличением час­тоты падающего света и не зависит от его ин­тенсивности.

III закон: Независимо от интенсивности света, фотоэффект начина­ется только при определенной (для данного металла) мини­маль­ной частоте света или максимальной длине волны, называемой красной границей фотоэффекта.

Законы внешнего фотоэффекта получают про­стое истолкова­ние на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фото­нов), падающих в единицу времени на поверх­ность металла. Каж­дый фотон может взаимодей­ствовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть про­порционально световому потоку (пер­вый закон фотоэффекта). Энергия фотона hv, по­глощенная электроном, частично рас­ходуется на совершение работы выхода электрона из металла А; оставшаяся часть этой энергии идет на сооб­щение ему кинети­ческой энергии mυ²/2. Тогда, согласно закону сохране­ния энергии, можно за­писать:

hv = A + (mυ²)/2

Эта формула, предложенная в 1905 году Эйн­штейном и под­твержденная затем многочислен­ными экспериментами, называет­ся уравнением Эйнштейна. Из этого уравнения непосредственно видно, что скорость фо­тоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности (поскольку ни А, ни v не зависят от интенсивности света). Этот вывод соответст­вует второму закону фото­эффекта. Кроме того, из уравнения Эйнштейна следует, что с умень­шением частоты света кинетическая энергия фо­тоэлектро­нов уменьшается (величина А посто­янна для данного освещаемо­го металла). При не­которой достаточно малой частоте v = v_min (или длине волны λ_max= с / v_min) кинетическая энергия фотоэлект­рона станет равной нулю (mυ²)/2= 0 и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэф­фекта). Это будет иметь место при hv_min = A, т.е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на соверше­ние работы выхода электрона. Тогда: v_min = A/h, или λ_max = hc/A

Эти формулы определяют красную границу фо­тоэффекта и что она зависит от величины работы выхода, т.е. от рода металла. На внешнем фото­эффекте основан важный физико-техничес­кий прибор, называемый вакуумным фотоэле­ментом. Катодом К служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух. Анод А выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. При освещении ка­тода, в цепи фото­элемента возникает электриче­ский ток за счет электронов, выби­тых из катода. Сила тока пропорциональна величине светового потока, падающего на катод. Большинство со­временных фотоэлементов имеют сурьмяно-це­зиевые или кислородно-цезиевые катоды, обла­дающие высокой фоточувствительностью. Пер­вые чувствительны к видимому и ульт­рафиолето­вому свету, а вторые к инфракрасному и види­мому свету. В некоторых случаях, для уве­личения чувствительности фото­элемента, его на­полняют аргоном при давлении порядка 10^-2 мм.рт.ст. Фототок в таком фотоэлементе усили­вается вследствие ионизации аргона, вызванной столкновением фотоэлектронов с атомами ар­гона. Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и, в меньшей мере, у диэлек­триков. Полупроводниковая пластинка присое­диняется к полюсам батареи. Ток в цепи незначи­телен, по­скольку полупроводник обладает боль­шим сопротивлением. Од­нако при освеще­нии пластинки ток в цепи резко возрастает. Это обу­словлено тем, что свет вырывает электроны из атомов полу­проводника, которые, оставаясь внутри полупроводника, увеличи­вают его элек­тропроводность. Такое сопротивление называют фо­торезистор. На явлении внутреннего фотоэф­фекта основана рабо­та полупроводнико­вых фо­тоэлементов. Для их изготовления ис­пользуют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некото­рые другие полупроводники. Фоточувст­вительность полупровод­никовых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточув­ствитель­ность ва­куумных фотоэлементов. Некоторые фотоэле­менты обла­дают отчетливо выраженной спек­тральной чувствительностью. У селенового фо­тоэлемента спектральная чувстви­тельность очень близка к спектральной чувстви­тельности челове­ческого глаза. Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерцион­ность: изменение фототока запаздывает отно­си­тельно изменения освещен­ности фотоэлемента. Поэтому полу­проводнико­вые фотоэлементы не пригодны для регистрации быстроизменяю­щихся световых потоков. В качестве примера по­лупроводникового фотоэле­мента рас­смотрим устройство селенового вентильного фотоэле­мента.

Он состоит из металличе­ской подложки, дыроч­ного полу­проводника, по­крытого прозрачным слоем металла (обычно тон­кий слой золота). На границе металл-полупро­водник, вследствие диффузии, возникает кон­тактный запирающий слой с напряженностью Ек. Включим теперь све­товой поток Ф, проника­ющий в полупроводник. Благодаря внутреннему фотоэффекту увеличива­ется концентрация сво­бодных зарядов обоих знаков - электронов и ды­рок. Электроны сво­бодно диффундируют через контакт, а для дырок он действитель­но является запирающим слоем. В результате при освещении электроны накапли­ваются на подложке, а дырки - в полупровод­нике. Между контактами А и К возникает разность потенциалов

- фото-э.д.с, величина которой пропорциональна освещенности проводника. Таким образом, вен­тильный фотоэлемент представляет собой гене­ратор тока, непосредственно преобразую­щий световую энер­гию в электрическую. В качестве полупроводников в вентильном фото­элементе используют селен, закись меди, серни­стый тал­лий, германий, кремний. В вентильном фотоэле­менте могут приме­няться два полупро­водника с различными типами проводимости - электрон­ной и дырочной. Весьма перспективным явля­ется практическое использование вентиль­ных фотоэлементов в качестве генераторов электро­энер­гии. Батареи кремниевых фотоэле­ментов, получивших название солнечных батарей, при­меняются на космических спутниках и ко­раблях для питания различной электронной аппаратуры. Некото­рые вентильные

фотоэлементы чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения на­гретых невидимых тел, т.е. как бы расширяют возможности зрения. Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеха­низации и автоматизации производственных процессов. В сочета­нии с электронным усилителем и реле, фо­тоэлемент является неотъемлемой частью авто­матических устройств, которые, реаги­руя на све­товые сигналы, управляют работой различ­ных про­мышленных и сельскохозяйственных устано­вок и транспортных механизмов. На внешнем фотоэффекте основана работа элек­тронно-опти­ческого преобразователя (ЭОП), предназначен­ного для преобра­зования изобра­жения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. В медицине ЭОП приме­няют для усиления яркости рентгено­вского изо­бражения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения чело­века. Если сигнал с ЭОП по­дать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телеви­зора можно полу­чить "тепло­вое" изображение предметов. Части тела, имею­щие разные темпе­ратуры, различаются на экране либо цветом, при цветном изображении, либо светом, если изо­бражение черно-бе­лое. Такая система, называе­мая тепловизором, используется в термографии.