28179

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

Доклад

Физика

Фотоэффект. Основные законы внешнего фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения называется внешним фотоэффектом.

Русский

2013-08-20

87.5 KB

92 чел.

58. 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, и следовательно – 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.

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

Характерными параметрами вольтамперной характеристики фотоэлемента (рисунок 2) 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 установлены законы фотоэффекта:

  1.  Сила фототока насыщения (при прочих равных условиях) пропорциональна падающему световому потоку).
  2.  Фотоэффект наблюдается только 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 числовое значение постоянной  b  для всех веществ одинаково, а значения постоянной  a – различны.

  1.  Фотоэффект – явление практически безынерционное.

Объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете не удалось. Их объяснение возможно только в рамках квантовой теории.

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. Максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона (фотоэлектрона)  может быть найдена 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 A1=0  и  0 = A2). 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). Фототок прекращается при достижении потенциала  U = – UЗ. При этом в соответствии с (3) запирающее напряжение UЗ  удовлетворяет соотношению

.                                                   (4)

Фотоэлектрический эффект получил широкое практическое применение в приёмниках излучения различного типа. Различают приёмники 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, зависящую от  работы выхода электронов из вещества чувствительного элемента приемника. 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 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 Di), 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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57310. Introductions. Знакомство 39.5 KB
  Whats your name? Im Alex! And you are...? Im Sam. Where are you from, Alex? Im from Russia. And you? Where are you from? Im from the US. Are you here on business or on vacation? On vacation. And you?
57311. Единая государственная система предупреждения и ликвидации ЧС (РСЧС) 232 KB
  Во исполнение указанного закона Постановлением Правительства РФ № 794 от 30.12.2003 г. было утверждено новое Положение о единой государственной системе предупреждения и ликвидации ЧС. Единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) создана с целью прогнозирования, предотвращения и ликвидации...
57313. О рынке и конкуренции. Проблема обмена двух товаров друг на друга 38 KB
  Мы определим общественное богатство как совокупность материальных и нематериальных вещей которые имеют стоимость и могут обмениваться и покажем что все имеющие стоимость и способные к обмену вещи и только они являются одновременно полезными и количественно ограниченными.
57314. Режим дня. Признаки утомления. Учимся и отды 37 KB
  Цель: формировать понятие о режиме дня; показать влияние систематического соблюдения режима дня правильного распределения времени на здоровье человека; развивать память мышление желание быть здоровым; воспитывать бережное отношение к своему здоровью.
57317. Рабочий стол. Курсор. Операция изменения размеров 978.5 KB
  Взаимодействие пользователя с программами и устройствами компьютера осуществляется с помощью мыши. Образом мыши на экране является указатель мыши чаще всего имеющий форму стрелки. Движение указателя по экрану соответствует движению мыши по коврику.