Что такое фотоэлектрический эффект?

Вентильный (барьерный) фотоэффект:

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект.  Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.  Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей.

Эффект прямого преобразования света в электричество впервые был открыт в 1842 г. Александром Эдмоном Беккерелем.

В 1883 г. Чарльз Фриттс впервые создал первую работающую фотоэлектрическую ячейку, используя полупроводниковый материал селен. Фритц покрыл селен очень тонким слоем золота. Полученная фотоэлектрическая ячейка имела КПД преобразования света в электричество всего около 1%, что в сочетании с высокой стоимостью материала препятствовало использованию таких ячеек для энергоснабжения.

Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в настоящее время в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов, произведенных на основе различных материалов.

Таблица 1.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые 24,7
Si (кристаллический)
Si (поликристаллический)
Si (тонкопленочная передача)
Si (тонкопленочный субмодуль) 10,4
Si (аморфный) 9,5
Si (нанокристаллический) 10,1
На основе арсенида галлия и т.п.
GaAs (кристаллический) 25,1
GaAs (тонкопленочный) 24,5
GaAs (поликристаллический) 18,2
InP (кристаллический) 21,9
Тонкие плёнки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент) 19,9
CIGS (субмодуль) 16,6
CdTe (фотоэлемент) 16,5
Фотохимические
На базе органических красителей 10,4
На базе органических красителей (субмодуль) 7,9
Органические
Органический полимер 5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge 32,0
GaInP/GaAs 30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный) 25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) 11,7

Внутренний фотоэффект:

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными.  Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Внутренний фотоэлектрический эффект

Фотопроводимость

Под фотопроводимостью понимается увеличение электропроводности полупроводниковых материалов за счет образования несвязанных электронно-дырочных пар во время облучения. Электроны поднимаются из валентной зоны в зону проводимости с более высокой энергией за счет энергии фотонов , для которой энергия отдельного фотона должна, по крайней мере, соответствовать ширине запрещенной зоны облучаемого полупроводника. Поскольку размер запрещенной зоны зависит от материала, максимальная длина волны света, до которой возникает фотопроводимость, различается в зависимости от полупроводника (арсенид галлия: 0,85 мкм, германий: 1,8 мкм, кремний: 1,1 мкм).

Спектры фотопроводимости показывают зависимость электропроводности от энергии (или длины волны) падающего света. Проводимость значительно увеличивается с увеличением энергии запрещенной зоны, так что (прямая) ширина запрещенной зоны может быть определена таким образом

Подробный анализ таких спектров фотопроводимости в сочетании с результатами других исследований является важной основой для понимания зонной структуры используемого материала (см. Также зонную модель ).

Если исследования проводятся в магнитном поле , могут быть определены дополнительные детали, которые в противном случае были бы неразрывно наложены друг на друга с точки зрения их воздействия, но которые разделены магнитным полем. Примерами являются магнито-оптический эффект Керра и эффект Холла , с помощью которого подвижность электронов может быть определена.

Монохроматоры используются для измерения зависимости фотопроводимости от длины волны . Измерения обычно проводят в вакууме, например. Б. избегать водяных полос (см. Инфракрасная спектроскопия ) в ближней инфракрасной области или при низких температурах до z. Б. отделить эффекты магнитного поля от шума.

Фотопроводимость используется в фоторезисторах , фототранзисторах , фотодиодах и датчиках ПЗС ( см. Также пин-диод и лавинный фотодиод ), которые используются в производстве большого количества световых датчиков .

В фоторезисторах, а также в других полупроводниках носители заряда, генерируемые светом, могут сохраняться в течение очень долгого времени (от часов до дней) даже после потемнения; это называется длительным фотоэффектом (сокращенно PPE ).

Фототранзисторы содержат светочувствительные PN-переходы. Они усиливают ток, возникающий в их базе.

Для измерений в видимом и инфракрасном спектральном диапазоне фотодиоды обычно используются как фотопроводники при квазикоротком замыкании или в диапазоне блокировки — затем они подают ток, который пропорционален потоку падающего излучения на многие порядки величины.

Устойчивая фотопроводимость наблюдается в монокристаллах титаната стронция при комнатной температуре. После воздействия концентрация свободных электронов увеличивается на два порядка и остается повышенной в течение нескольких дней.

Фотоэлектрический эффект

См. Также : История фотовольтаики.

Фотоэлектрический эффект также основан на внутреннем фотоэлектрическом эффекте. Носители заряд пара , возникающая в заряда зоне пространства , то есть на р — п — переходе в виде фотодиода , разделяется в р- и п-слоях. Электроны переходят в n-слой, а дырки — в p-слой, и ток генерируется против направления прохождения перехода. Этот ток называется фототоком.

Фотодиоды большой площади ( солнечные элементы ) используются для преобразования лучистой энергии солнца в электрическую.

Явление — внутренний фотоэффект

Явление внутреннего фотоэффекта можно наблюдать в полупроводниках, где оно проявляется как изменение сопротивления, а также в р-га-переходах, в которых происходят различные процессы. Энергия электромагнитного излучения, падающего на поверхность полупроводника, передается валентным электронам ( § 2 — 1) и облегчает их переход в зону проводимости. Благодаря этому в полупроводнике появляются дополнительные носители электрического тока, увеличивающие активную проводимость. Такое явление характерно для многих полупроводников и используется у селена, соединений олова, кадмия, таллия и др. Так как граничная частота таких элементов обычно значительно меньше граничной частоты фотокатодов, то полупроводниковые фоторезисторы особенно пригодны для работы в инфракрасной области спектра.

Явление внутреннего фотоэффекта было открыто в 1873 г. американским физиком У.

Явление внутреннего фотоэффекта в твердых телах основано на изменении электронами энергетического уровня при переходе в зону проводимости под действием энергии поглощающего излучения.

С явлением внутреннего фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах. AgJ), распределенные в тонком слое желатиновой эмульсии, нанесенной на стеклянную пластинку, пленку или бумагу.

Схемы оптоэлектронных коммутаторов К249КН1А.

В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта.

Спектральная зависимость D для распространенных детекторов оптического излучения.

Фотонные детекторы реализуют явление внутреннего фотоэффекта, при котором носители заряда не покидают материал детектора, а переходят в зону проводимости либо с примесного уровня, либо из валентной зоны.

Основные параметры СЭС с параболоцилнндрнческнми концентраторами ( ПЦК.

В основе работы ФЭП лежит явление внутреннего фотоэффекта — образование свободных носителей тока под действием теплового ионизирующего излучения. Поглощение света и фотоионизация увеличивают энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве.

Рассматриваемая группа фотоэлементов основана на явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводнике. Однако это простое явление в данном случае усложнено наличием на границе полупроводника с металлом очень тонкого разделяющего их слоя с большим сопротивлением и выпрямляющим действием.

Устройство фоторезистора.

Полупроводниковый прибор, в котором используется явление внутреннего фотоэффекта, называется фоторезистором. Он представляет собой полупроводниковую пластинку или пленку, сопротивление которой изменяется под действием света.

В фотосопротивлениях ( ФС) используется явление внутреннего фотоэффекта — при освещении некоторых полупроводников электроны атомов вызывают проводимость.

48.219. Фотоэффект

Свет обладает двойственной природой: в некоторых случаях он ведет себя как волна, в других ― как частица. При фотоэффекте свет ведет себя как частица. «Порции» света (кванты) ― фотоны. Энергия одного фотона прямо пропорциональна его частоте и равна Ev = hv, где

Ev ― энергия фотона, ;

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;

v ― частота света .

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) ― испускание электронов веществом под действием света.

Свет поглощают электроны, свободно расположенные в металле. Поглотив квант света, электрон увеличивает свою энергию настолько, что может вылететь из металла. Таким образом, фотоны «выбивают» электроны из металла, если их энергия достаточно велика для этого. Электроны, вылетевшие под действием света (фотонов) называются фотоэлектронами. Поскольку ток ― это направленный поток заряженных частиц ― то при облучении металла светом достаточной энергии, создается ток, который называется фототоком.

Металлическая пластинка, подключенная к электрической цепи, и облучаемая светом, называется фотокатодом.

Энергия и скорость вылетающих электронов зависит от частоты падающего света ― т. е энергии фотона, который выбивает электрон. Скорость фотоэлектронов тем выше, чем выше частота фотонов. Аналогично, скорость фотоэлектронов тем меньше, чем меньше частота падающих фотонов.

Энергия и скорость вылетающих электронов от интенсивности света не зависят.

Дело в том, что интенсивность (яркость) света определяет не то, какую энергию имеют фотоны (напомним, что энергия фотонов зависит от их частоты), а то, сколько будет этих фотов в свете. Если свет яркий ― в нём находится много фотонов, если свет не яркий ― не много.

Теоретически фотоэффект объяснил Эйнштейн. Формула Эйнштейна для фотоэффекта связывает энергию падающих фотонов и энергию вылетающих электронов: hv = A + EК, где

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;

v ― частота света ;

A ― работа выхода ;

EК ― кинетическая энергия фотона. .

Работа выхода фотоэффекта ― постоянная величина и зависит только от природы металла и состояния его поверхности. Работа выхода не зависит от частоты или интенсивности света.

Как видно из формулы Эйнштейна, энергия фотона идет на совершение работы выхода и на увеличение кинетической энергии электрона. Так как работа выхода постоянна, то при уменьшении частоты света ― уменьшается кинетическая энергия, а значит, и скорость вылетающих электронов. Если частота света уменьшается до предельной величины ― частоты красной границы фотоэффекта, скорость электронов становится равной нулю и фотоэффект прекращается. Если частота света меньше частоты красной границы фотоэффекта ― то фотоэффект не наблюдается, поскольку энергии фотонов недостаточно для того, чтобы выбить электрон из материала.

Красная граница фотоэффекта ― это частота, при которой прекращается фотоэффект. Ее можно определить из условия $hv_{\text{красная \;граница}} = A$ , где

h ― постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10-34 ;

vкрасная граница ― частота света ;

A ― работа выхода .

График зависимости кинетической энергии вылетающих электронов от частоты падающих фотонов:

Запирающее напряжение ― это напряжение, не позволяющее электронам покинуть фотокатод. Если напряжение в цепи больше или равно запирающему напряжению, то электроны не могут достигнуть анода: даже если они покидают ненадолго фотокатод, сила электрического поля возвращает их в металл ― и фототока в цепи нет.

Запирающее напряжение определяется выражением eUзап = Eкинетическая, где

e ― заряд электрона равный 1,6 ∙ 10-19 ;

Uзап ― запирающее напряжение ;

Eкинетическая ― кинетическая энергия фотоэлектрона .

Когда напряжение в цепи равно нулю U = 0, а фотокатод облучается светом достаточной энергии, чтоб создавать фотоэффект, ― в сети есть ток, его вызывают выбиваемые светом электроны.

Когда напряжение в цепи равно запирающему напряжению U = Uз ― сила тока становится равной нулю, т. к. фототок прекращается.

Как видно из формулы, запирающее напряжение зависит только от кинетической энергии электронов, которая, в свою очередь, зависит от частоты света (но не интенсивности) и работы выхода.

Прочитано
Отметь, если полностью прочитал текст

Внешний фотоэлектрический эффект

Внешний фотоэлектрический эффект, открытый в 1887 г. Герцем, был в том же году тщательно исследован А. Г. Столетовым, в работах которого были установлены важнейшие закономерности нового явления.

Внешним фотоэлектрическим эффектом, или фотоэлектронной эмиссией, называют способность металлов эмитировать электроны под действием светового потока, падающего на них. Светочувствительные поверхности в передающих телевизионных трубках называются фотокатодами.

Явления внешнего фотоэлектрического эффекта и вторичной электронной эмиссии составляют основу фотоэлектроники — области, получившей в наши дни широкое научное и техническое применение.

В основе внешнего фотоэлектрического эффекта лежит эмиссия фотоэлектронов под действием падающего излучения.

В рассмотренных фотоэлементах использован внешний фотоэлектрический эффект, о котором шла речь в этой главе.

Вспышка свечения ватухающгго ZnS Мп-фосфора под действием электрического иоля напряженности 20000 в /.

Опыты с электропроводностью и с внешним фотоэлектрическим эффектом заставляют связывать возбуждение фосфоресценции с полным отделением электрона от центра, поглотившего свет.

В рассмотренных фотоэлементах использован так называемый внешний фотоэлектрический эффект, о котором шла речь в этой главе.

Во всех передающих трубках, работающих с внешним фотоэлектрическим эффектом, используются полупрозрачные фотокатоды. Исключением является иконоскоп — трубка, в которой использован мозаичный фотокатод.

Зависимость коэффициента пропускания интерференционного полосового фильтра ( / и двойного полосового фильтра ( 2 от длины волны 0-макс. 55 мкм. ПВ — полуширина полосы пропускания фильтра.

В фотоэлектрических приемниках поглощенная фотоэлементом энергия излучения вследствие внешнего фотоэлектрического эффекта выбивает электроны в окружающее пространство. У фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов, благодаря внутреннему фотоэффекту, связанные в кристаллической решетке электроны переходят на более высокий энергетический уровень.

Способность металлов испускать электроны под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом. При освещении веществ, являющихся изоляторами и полупроводниками, электроны не могут покинуть поверхность вещества, но они получают энергию, достаточную для отрыва от атомов и передвижения внутри вещества. Возрастание проводимости изоляторов и проводников при освещении их светом называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.

ЭОП основан на использовании, с одной стороны, внешнего фотоэлектрического эффекта, открытого Халлваксом в 1888 г., и, с другой стороны, на свойствах электронов, которые принято связывать с понятием электронная оптика.

На эти поверхности проецируется оптическое изображение, и за счет внешнего фотоэлектрического эффекта происходит преобразование оптического изображения в электронное.

В рассматриваемом типе вакуумных фотоэлементов используется, как известно, явление внешнего фотоэлектрического эффекта.

Явление — фотоэффект

Явление фотоэффекта, открытое в 1887 г. Герцем и детально исследованное А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы ( или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект исходя из волновой теории света невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Е3 электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.

Явление фотоэффекта, открытое А. Г. Столетовым в 1888 г., заключается в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.

Простейший опыт по наблюдению фотоэффекта.

Явление фотоэффекта заключается в вырывании электронов из вещества падающим на него светом. Основные черты этого явления сводятся к следующему. Пучок света, падающий на поверхность металла, освобождает из металла электроны при условии, что частота света выше определенного критического значения, зависящего от рода металла. Количество вырываемых в единицу времени электронов при неизменном спектральном составе излучения пропорционально падающему на поверхность металла световому потоку.

Статические характеристики германиевого фотодиода.

Явление фотоэффекта можно использовать также в р-п-переходе, на который подано обратное напряжение.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра.

Явление фотоэффекта, открытое в 1889 г. А. Г. Столетовым, состоит в том, что металлы ( или полупроводники) при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект, исходя из волновой теории света, невозможно. Однако вылет электронов наблюдается сразу же после освещения металла. Кроме того, согласно волновой теории, энергия Еа электронов, испускаемых металлом, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Однако было установлено, что Еэ от интенсивности света не зависит, а зависит от его частоты, увеличиваясь с ростом v; возрастание интенсивности приводит лишь к увеличению числа вылетающих из металла электронов.

Явление фотоэффекта, открытое А. Г. Столетовым в 1888 г., заключается в том, что под действием света с поверхности различных тел вырываются электроны, вследствие чего данное тело приобретает заряд. Причем это явление наблюдается только при условии, если энергия светового кванта больше работы, необходимой для отрыва электрона с поверхности данного вещества, и сообщения ему некоторой кинетической энергии.

Явление фотоэффекта состоит в том, что лучи света, падая на любое тело ( независимо от его химической природы и физического состояния), выбивают из него электроны.

Явление фотоэффекта было впервые обнаружено в 1819 г. русским химиком Гротгусом.

Схема опыта А. Г. Столетова по фотоэффекту.

Впервые явление фотоэффекта было замечено Герцем в 1887 г. Герц обнаружил, что облучение искрового промежутка ультрафиолетовыми лучами облегчает разряд.

Сущность явления фотоэффекта состоит в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии проникают в поверхностные слои освещенного тела и сообщают его электронам дополнительную энергию. В результате этого электроны освещенного тела начинают двигаться с большими скоростями и выходят со своих обычных орбит движения. Это явление убыстрения движения электронов освещенного тела под действием лучистой энергии и названо явлением фотоэффекта.

В явлении фотоэффекта электроны, вырываемые с поверхности металла излучением частотой 2 — 104 Гц, полностью задерживаются тормозящим полем при разности потенциалов 7 В, а при частоте 4 — Ю1 Гц — при разности потенциалов 15 В.

Законы фотоэффекта

Чтобы получить более полное представление о фотоэффекте, выясним, от чего зависит количество электронов, вырванных светом с поверхности вещества, а также, от чего зависит их скорость, или кинетическая энергия. Выяснить все это нам помогут эксперименты.

Первый закон фотоэффекта

Возьмем стеклянный баллон и выкачаем из него воздух (смотрите рисунок выше). Затем поместим в него два электрода. На электроды подадим напряжение и будем регулировать его с помощью потенциометра и измерять при помощи вольтметра.

В верхней части нашего баллона есть небольшое кварцевое окошко, которое пропускает весь свет, в том числе ультрафиолетовый. Через него падает свет на один из электродов (в нашем случае на левый электрод, к которому присоединен отрицательный полюс батареи). Мы увидим, что под действием света этот электрод начнет испускать электроны, которые при движении в электрическом поле будут создавать электрический ток. Вырванные электроны будут направляться ко второму электроду. Но если напряжение небольшое, второго электрода достигнут не все электроны. Если интенсивность излучения сохранить, но увеличить между электродами разность потенциалов, то сила тока будет увеличиваться. Но как только она достигнет некоторого максимального значения, рост силы тока при дальнейшем увеличении напряжения прекратится. Максимальное значение силы тока будем называть током насыщения.

Ток насыщения — максимальное значение силы тока, также называемое предельным значением силы фототока.

Ток насыщения обозначается как Iн. Единица измерения — А (Кл/с). Численно величина равна отношению суммарному заряду вырванных электронов в единицу времени:

Iн=qt..

Если же мы начнем изменять интенсивность излучения, то сможем заметить, что фототок насыщения также начинается меняться. Если интенсивность излучения ослабить, максимальное значение силы тока уменьшится. Если интенсивность светового потока увеличить, ток насыщения примет большее значение. Отсюда можно сделать вывод, который называют первым законом фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта:

Число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. Иными словами, фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку Ф.

Второй закон фотоэффекта

Теперь произведем измерения кинетической энергии, то есть, скорости вырывания электронов. Взгляните на график, представленный ниже. Видно, что сила фототока выше нуля даже при нулевом напряжении. Это говорит о том, что даже при нулевой разности потенциалов часть электронов достигает второго электрода.

Если мы поменяем полярность батареи, то будем наблюдать уменьшение силы тока. Если подать на электроды некоторое значение напряжения, равное Uз, сила тока станет равно нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны, останавливает их, а затем возвращает на тот же электрод.

Напряжение, равное Uз, называют задерживающим напряжением. Оно зависит зависит от максимальной кинетической энергии электронов, которые вырываются под действием света. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов. Оно будет равно:

mv22..=eUз

Опыт показывает, что при изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение не меняется. Значит, не меняется кинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось бы, должна передаваться электронам. Но экспериментальным путем мы обнаруживаем, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Отсюда мы можем сделать вывод, являющийся вторым законом фотоэффекта.

Второй закон фотоэффекта:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Причем, если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты νmin, фотоэффект наблюдаться не будет.

Ядерный фотоэффект

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям (γ,n){\displaystyle (\gamma ,n)} и (γ,p){\displaystyle (\gamma ,p)}, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Применение фотоэффекта

Подробности
Просмотров: 671

«Физика — 11 класс»

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света.
Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино, стала возможной передача движущихся изображений (телевидение).
Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без участия человека изготовляют детали по заданным чертежам.
Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. п.

Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.

Вакуумные фотоэлементы

Современный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода.
Это катод 1. Через прозрачное окошко свет проникает внутрь колбы.

В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов.
Анод присоединяют к положительному полюсу батареи.
Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи.

При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает реле.
Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не пропущена карточка.

Подобные автоматы могут предотвращать аварии.
На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.

С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке.

Полупроводниковые фотоэлементы

Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого более полно внешним фотоэффектом, широко применяется и так называемый внутренний фотоэффект в полупроводниках.
На этом явлении основано устройство фоторезисторов — приборов, сопротивление которых зависит от освещенности.

Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС и непосредственно преобразующие энергию излучения в энергию электрического тока.
ЭДС, называемая в данном случае фотоЭДС, возникает в области р—n-перехода двух полупроводников при облучении этой области светом.

Под действием света образуются пары электрон — дырка.
В области р—n-перехода существует электрическое поле.
Это поле заставляет неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт.
Дырки из полупроводника n-типа перемещаются в полупроводник p-типа, а электроны из полупроводника р-типа — в область n-типа, что приводит к накоплению основных носителей в полупроводниках n- и p-типов.
В результате потенциал полупроводника р-типа увеличивается, а n-типа уменьшается.
Это происходит до тех пор, пока ток неосновных носителей через р—n-переход не сравняется с током основных носителей через этот же переход.
Между полупроводниками устанавливается разность потенциалов, равная фотоЭДС.

Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдет ток, определяемый разностью токов неосновных и основных носителей через р—n-переход.
Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R.
Фотоэлементы с р—n-переходом создают ЭДС порядка 1—2 В.
Их выходная мощность достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%.

Фотоэлементы малой мощности используются, например, в фотоэкспонометрах.
Особенно широко применяются полупроводниковые фотоэлементы при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на космических кораблях.
К сожалению, пока такие батареи довольно дороги.
Широко применяются вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые создают фотоЭДС.

Следующая страница «Давление света. Химическое действие света»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые кванты. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Фотоэффект —
Теория фотоэффекта —
Фотоны —
Применение фотоэффекта —
Давление света. Химическое действие света —
Краткие итоги главы