Фотоэффект. Основные законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы и их применение.

 

Явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения называется внешним фотоэффектом. Фотоэлектрическими свойствами обладают металлы, полупроводники, а также диэлектрики и электролиты. Внутренний фотоэффект состоит в увеличении концентрации свободных носителей заряда в веществе, а следовательно и электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто в 1887 году Герцем и экспериментально исследовано Хальваксом, Риги, Столетовым и другими учеными. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1.

 

	1 – стабилизированный источник напряжения; 2 – вакуумный фотоэлемент; 3 – вольтметр; 4 – микроамперметр; 5 – резистор; 6 – монохроматор; 7 – конденсор Рисунок 1 - Схема установки для проверки уравнения Эйнштейна

 

Типичный вид вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента, регистрируемой при заданных характеристиках электромагнитного излучения, показан на рисунке 2.

 

 

Характерными параметрами вольтамперной характеристики фотоэлемента (рисунок 2.3) являются сила фототока насыщения и запирающий потенциал . Запирающим потенциалом называется модуль такого максимального значения отрицательного потенциала, при котором сила фототока становится равной нулю.

А.Г. Столетовым в 1888 году эмпирически были установлены следующие законы фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения (при прочих равных условиях) пропорциональна падающему световому потоку).

2. Фотоэффект наблюдается лишь при освещении фотокатода излучением, частота которого не менее частоты красной границы фотоэффекта (т.е. при ≥ , или в шкале длин волн при λ λ₀).

3. Распределение фотоэлектронов по начальным значениям кинетической энергии не зависит от величины светового потока.

4. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты излучения:

, (2)

при этом числовые значения постоянной b одинаковы для всех веществ, а постоянной a – различны.

5. Фотоэффект – явление практически безынерционное.

Все попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о природе электромагнитного излучения оказались несостоятельными. Найти их объяснение удалось только в рамках квантовой теории.

Так, в соответствии с эйнштейновской гипотезой квантов света, при фотоэффекте энергия фотона , поглощенного фотокатодом, расходуется на совершение электроном работы A₁ по отрыву его от атома (в неметаллах), совершение работы выхода A₂ за пределы поверхности материала и сообщение электрону кинетической энергии. Таким образом, максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона (фотоэлектрона) может быть выражена из уравнения

. (3)

Соотношение (3), называемое уравнением Эйнштейна для фотоэффекта, представляет собой закон сохранения энергии для данного явления, рассматриваемого на элементарном уровне. Если , то внешний фотоэффект не наблюдается. Красная граница фотоэффекта определяется из условия (для металлов A ₁ = 0и hν₀ = A ₂). Так как существует распределение электронов по энергиям, и вид этого распределения зависит от температуры вещества, то реальная работа выхода для различных электронов различна. Поэтому существует некоторое распределение фотоэлектронов по скоростям (кинетическим энергиям). Характер этого распределения можно определить графическим дифференцированием вольтамперной кривой фотоэлемента I=I(U) в области тормозящих напряжений (рисунок 2). Фототок прекращается при достижении потенциала U = – U_З. При этом в соответствии с (3) запирающее напряжение U_З удовлетворяет соотношению

. (4)

Таким образом, с использованием квантовых представлений о природе электромагнитного излучения удалось успешно объяснить важнейшие эмпирические закономерности внешнего фотоэффекта.

Фотоэлектрический эффект получил широкое практическое применение приёмниках излучения различного типа. Фотоэлектрические приёмники оптического излучения непосредственно преобразуют электромагнитную энергию в электрическую. Их разделяют на приёмники оптического излучения с внешним и внутренним фотоэффектом. К ним относятся фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, приёмники оптического излучения с фотоэлектромагнитным эффектом, квантовые усилители оптического диапазона. Эти приёмники оптического излучения селективны, и их реакция зависит от величины энергии отдельных поглощённых квантов.

Спектральная характеристика приёмников оптического излучения с внешним фотоэффектом имеет характерную длинноволновую (красную) границу в области (0,6 ÷ 1,2) мкм, определяемую природой вещества чувствительного элемента приемника (работой выхода).

Фотоэлектрические приёмники оптического излучения с внутренним фотоэффектом в зависимости от типа чувствительны и в далёкой ИК области спектра (до 10 – 30 мкм).

Порог чувствительности приёмников оптического излучения с внешним фотоэффектом может быть доведён до 10^-12 – 10^-15 Вт/Гц^1/2 при постоянной времени 10^-9 с. Порог чувствительности так называемых счётчиков фотонов (полупроводниковых лавинных фотодиодов) ещё выше – до 10^-17 Вт/Гц^1/2. Предельная чувствительность фоторезисторов 10^-10 – 10^-12 Вт/Гц^1/2 при постоянной времени 10^-5 – 10^-7 с.

Различают вакуумные и твердотельные фотоэлементы.

Простейший вакуумный фотоэлемент схематически изображён на рисунке 3. В небольшом откачанном стеклянном баллоне одна половина внутренней поверхности покрыта изнутри светочувствительным слоем: серебряным, калиевым, цезиевым, сурьмяно-цезиевым и др. – в зависимости от того, для работы в какой спектральной области он предназначен. Анод обычно изготавливают в виде кольца А. Между катодом и анодом посредством батареи B создают разность потенциалов. В отсутствие освещения в цепи фотоэлемента электрического тока нет. Он появляется при освещении фоточувствительного слоя. Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает (10 ÷ 15) мкА/лм. Сила фототока в них насыщения прямо пропорциональна световому потоку.

 

 

Чувствительность фотоэлемента повышается, если заполнить его баллон каким-нибудь инертным газом при невысоком (порядка нескольких миллиметров ртутного столба) давлении. Повышение чувствительности обусловлено ионизацией атомов газа фотоэлектронами, ускоренно движущимися от катода к аноду. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм, но их световая вольтамперная характеристика не линейна, и для неё характерно отсутствие силы тока насыщения.

В фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) между катодом K и анодом A расположены дополнительные (до 15 ÷ 20) электроды (диноды D_i), которые являются источниками вторичных электронов: падении на динод одного электрона из него вылетает два или более (σ) электронов (рисунок 4). Напряжение на каждом диноде относительно фотокатода на 50 – 100 В выше, чем на предыдущем диноде. Если число динодов равно n, то коэффициент усиления и достигает 10⁹ ÷ 10¹¹. ФЭУ применяются для измерений при работе с очень слабыми световыми пучками.

 

 

Фотоэффект в фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях используется для регистрации световых потоков. Используется он и в других целях: для световой сигнализации, в телевидении и звуковом кино и т.д.

Особый интерес вызывают твердотельные фотоэлементы с запирающим слоем. Пример – меднозакисный фотоэлемент («купрокс»), схема которого представлена на рисунке 5.

 

 

 

 

На пластинку А, служащую одним из электродов, наносится тонкий слой закиси меди Cu₂O. Сверху наносится слой какого-либо металла (например, золота), настолько тонкий, чтобы он был прозрачен. Этот слой B служит вторым электродом. Если включить эту систему в электрическую цепь, то при освещении закиси меди сквозь прозрачный электрод гальванометром G в цепи регистрируется электрический ток. Механизм этого явления следующий: под действием света в закиси меди происходит внутренний фотоэффект, и в этом слое появляются фотоэлектроны. Пограничный слой между золотом и закисью меди обладает односторонней проводимостью (вентильный фотоэффект). Поэтому электроны движутся через границу раздела закиси меди и золота, и в цепи возникает электрический ток.

Спектральная область чувствительности вентильных фотоэлементов зависит от рода фоточувствительного вещества. Например, селеново-свинцовые и теллуро-свинцовые фотоэлементы могут обнаруживать излучение с длиной волны до 5,5 мкм. Чувствительность фотоэлементов с запирающим слоем может достигать 1000 мкА/лм.

Особенностью фотоэлементов с запирающим слоем является то, что они являются источниками фотоэлектродвижущей силы (в цепь не нужно включать батареи). Поэтому они являются преобразователями световой энергии в электрическую, хотя и с невысоким КПД (порядка 2 %) и являются структурными элементами солнечных батарей.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: