Вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое – вследствие внутреннего фотоэффекта возникает разность потенциалов вблизи контакта между металлом и полупроводником или между полупроводниками p и n типа. Вентильный фотоэлемент.

На металлический электрод 1 нанесен слой полупроводника 2, покрытый тонким полупрозрачным слоем золота 4, к нему плотно прижато метал.кольцо 5, служащее электродом. Между полупроводником и слоем золота возникает промежуточный слой 3, который обладает свойством пропускать электроны только в одном направлении – от полупроводника к золоту.

Если осветить p-n-переход светом, в области контакта двух полупроводни-ков, то возникают дополнительные носители заряда (электроны в p-области, дырки в областиn), которые достаточно легко проходят через переход. В результате в p- области образуется избыточный положитель-ный заряд, а в n-области – избыточ-ный отрицательный. Возникающая на контактах этих полупроводников разность потенциалов при поглощении в нем квантов эл/м излучения называется фотоэлектрод-вижущей силой (фото-ЭДС ). Если такой образец включить в замкнутую цепь, то возникнет электрический ток, который называется фототоком . Значение фото−ЭДС при небольших световых потоках пропорционально падающему на кристалл потоку. На явлении вентильного фотоэффекта основано действие солнечных батарей . Они представляют собой от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч элементов из кремниевых p-n-переходов, соед. последовательно. Солнечные батареи преобразуют световую энергию непосредственно в электрическую.

9.Корпускулярно-волновой дуализм

Но явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Изтеория эл/м поля и уравнений Максвелла: свет – это просто частный случай эл/м волн, то есть процесса распространения в пространстве эл/м поля.

Волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и все известные.

В начале 20го века были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись. Макс Планк назвал корпускулы световыми квантами, а Альберт Эйнштейн – фотонами. Эти две теории полностью дополняли друг друга.

Теория, объединяющая в себе и волновую, и корпускулярную теории - квантовая физика. Она не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории

Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.

При уменьшении длины волны проявляются корпускулярные свойства. Волновые свойства коротковолнового излучения проявляются слабо (например, рентгеновское излучение). Наоборот, у длинноволнового инфракрасного излучения слабо проявляются квантовые свойства.

Освещенность в различных точках экрана прямо пропорциональна вероятности попадания фотонов в эти точки экрана.Но, такжеосвещенность пропорциональна интенсивности света I, котораяв свою очередь,пропорциональна квадрату амплитудыволны А 2 , вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке есть мера вероятности попадания фотонов в эту точку .

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости - повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении.

Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта)

1. возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект используется в солнечных батареях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Схема для исследования внешнего фотоэф­фекта . Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А ) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникаю­щий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко) измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Зависимость фототока I , образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между катодом и анодом называется вольт-амперной харак­теристикой фотоэффекта.

По мере увеличения U фототок посте­пенно возрастает пока не выходит на насыщение. Максимальное значение тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: I нас = en , где n - число электронов, испус­каемых катодом в 1с. При U = О фототок не

исчезает, поскольку фотоэлектроны при вылете из катода обладают некоторой начальной скоростью. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U 0 . При U = U 0 ни один из электронов, даже обладающий при вылете максимальной начальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода:

т.е., измерив задерживающее напряжение U 0 , можно определить максимальное значение скорости υ max и кинетической энергии K m ах фотоэлектронов.

45. Законы фотоэффекта.

(1) Закон Столетова : при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е е катода).

(2) Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν

(3) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой ν не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых ε 0 =h ν.

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, называются фотонами.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла (см. стр.3-31) и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света (2й закон). Предельная частота

(или ), при которой кинетическая

энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта (3-й закон). Другая форма записи уравнения Эйнштейна

На рисунке изображена зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты облучающего света для алюминия, цинка и никеля. Все прямые параллельны друг другу, причем производная d(eU 0)/dv не зависит от материала катода и численно равна постоянной Планка h. Отрезки, отсекаемые на оси ординат, численно равны работе А выхода электронов из соответствующих металлов.

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов и фотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах и устройствах управления и автоматизации различных процессов, пультах дистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронных умножителей и солнечных батарей.

Существование фотонов было продемонстри­ровано в опыте Боте. Тонкая металлическая фольга Ф, расположенная между двумя счетчиками Сч, под действием жесткого облучения испускала рентгеновские лучи. Если бы излучаемая энергия распространялась равномерно во все стороны, как это следует из волновых представлений, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновре­менно, и на движущейся ленте Л появлялись бы синхронные отметки маркерами М. В действительно­ сти же расположение отметок было беспорядочным. Следовательно, в отдельных актах испускания рождаются световые частицы (фотоны), летящие то в одном, то в другом направлении.

46. Масса и импульс фотона. Единство корпускулярных и волновых свойств света.

Используя соотношения , получаем выражения для энергии, массы и импульса фотона

Эти соотношения связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона - массу, импульс и энергию - с волновой характеристикой света - его частотой.

Свет обладает одновременно волновыми свойствами, которые проявля­ются в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, и корпускулярными , которые проявляются в процессах взаимодействия света с веществом (испускания, поглощения, рассеяния).

47. Давление света.

Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление.

Пусть поток монохроматического излучения частоты падает перпенди­кулярно поверхности. Если за 1с на 1м 2 поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения р света от поверхности тела отразится ρN фотонов, а (1-ρ)N фотонов - поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс p γ , а каждый отраженный фотон -2p γ

Давление света на поверхность равно импульсу, который передают

поверхности за 1с N фотонов

Энергетическая освещенность поверхности (энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени). Объемная

плотность энергии излучения: . Отсюда

Волновая теория света на основании уравнений Максвелла приходит к такому же выражению. Давление света в волновой теории объясняется тем, что под действием электрического поля электромагнитной волны электроны в металле будут двигаться в направлении (обозначенном на рисунке) противоположном Магнитное поле электромагнитной волны действует на движущиеся электроны с силой Лоренца в направлении (по правилу левой руки) перпендикулярном поверхности металла. Таким образом, электромагнитная волна оказывает на поверхность металла давление.

48. Эффект Комптона.

Корпускулярные свойства света отчетливо проявляются в эффекте Комптона - упругом рассеянии коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и -излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества,сопровождающееся увеличением длины волны. Это увеличение не зависит от длины волны λ падающего

Вентильная фотоЭДС - ЭДС, возникающая в результате пространственного разделения электронно-дырочных пар, генерируемых светом в полупроводнике электрическим полем n-р перехода, гетероперехода, приэлектродного барьера. При вентильном фотоэффекте электрическое поле к фотоэлементу не прикладывается, т. к. они сами являются генераторами фотоЭДС. Характерной особенностью фотоэлементов с вентильным фотоэффектом является наличие запирающего слоя между полупроводником и электродом, который вызывает выпрямляющее действие данного слоя (рис. 1.17).

Слой полупроводника с вентильным фотоэффектом обладает не только сопротивлением, но и емкостью и является выпрямителем и источником ЭДС при его освещении светом. На рис. 1.17 пластинка Сu (4) является одним из электродов. Сверху она покрывается тонким слоем (2) закиси меди Сu 2 0 вследствие нагревания меди в воздухе при высокой температуре. Запирающий слой (3) образуется на границе Сu 2 0 и меди. Сверху наносится тонкий полупрозрачный слой золота (1). При освещении между электродами 1 и 4 возникает разность потенциалов.

Если соединить эти электроды через гальванометр, то при падении света возникает фототок, направленный от меди к Сu 2 0. Фотопроводимость меднозакисных фотоэлементов вызвана движением дырок. Тонкий запирающий слой (d » 10 - 7 м) на границе металл - полупроводник вызывает запирающее действие фотоэлемента и возникновение фотоЭДС до 1 В. В этом случае лучистая энергия света непосредственно переходит в электрическую. КПД фотоэлемента ~2,5%.

Эффект Комптона

Явление Комптона состоит в увеличении длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на атомах вещества, которое сопровождается фотоэффектом. С точки зрения классической волновой теории длина волны рассеянного излучения должна равняться длине волны падающего.

Схема опыта Комптона приведена на рис. 1.18, где S - источник рентгеновского излучения; D 1 и D 2 - диафрагмы, формирующие узкий пучок рентгеновских лучей; А - вещество, рассеивающее рентгеновские лучи, которые затем попадают на спектрограф С и фотопластинку Ф.

Явление Комптона характеризуется следующими закономерностями:

1. Зависит от атомного номера вещества. 2. При увеличении угла рассеяния интенсивность комптоновского рассеяния возрастает. 3. Смещение длины волны возрастает с увеличением угла рассеяния.

4. При одинаковых углах рассеяния смещение длины волны одно и

При взаимодействии рентгеновского фотона с электроном последний получает энергию (W) и импульс (р = mv) покидает атом (электрон отдачи), а энергия и импульс рассеянного фотона уменьшаются (рис. 1.19).

Для нахождения изменения длины волны рассеянного фотона в эффекте Комптона применим закон сохранения импульса

и закон сохранения энергии

W ф + W 0 = W + ,

где полная энергия частицы

.

Из закона сохранения импульса находим импульс частицы (электрона).

Например, согласно рис. 1.19 (теорема косинусов)

Учитывая релятивистский характер движения для фотона, имеем

W ф = hn= р ф с.

С учетом этого закон сохранения энергии представим в виде

Решив совместно (6.18) и (6.19) и после возведения в квадрат получаем

, (1.34)

(1.35)

Импульсы падающего и рассеянного фотонов; j - угол рассеяния;

с - скорость света; h - постоянная Планка.

Используя связь длины волны с частотой в виде:

и