Теоретическое введение. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление вырывания электронов из вещества под действием света

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г, впервые был изучен профессором Московского университета А.Г.Столетовым в I888 - 89 гг.

На рис.1 показана схема современной установки для исследования фотоэффекта.

Фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон с кварцевым окошком (Кв), через которое световой поток попадает на катод (K), Электроны, испущенные катодом в результате фотоэффекта, под действием электрического поля попадают на анод (А). Напряжение между катодом и анодом меняется с помощью потенциометра (П).

На рис.2 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента при неизменном световом потоке Ф. Характеристика (I) для потока Ф_I, характеристика (II) для потока Ф_II>Ф_I. При этом спектральный состав светового потока должен быть неизменным.

В результате проведенных исследований были установлены следующие закономерности, получившие название законов внешнего фотоэффекта.

1.При неизменном спектральном составе падающего на катод света фототок насыщения пропорционален падающему световому потоку (закон Столетова).

2. Наблюдается красная граница — наименьшая частота излучения, при которой происходит фотоэлектронная эмиссия. При частотах меньше красной границы фотоэффект отсутствует, как бы не был велик световой поток.

З. При облучении катода монохроматическим светом фотоэлектроны имеют различные скорости — от нуля до максимального значения. Максимальная скорость не зависит от интенсивности света, но зависит от частоты.

4. Фотоэффект безынерционен.

Законы фотоэффекта противоречат представлениям классической волновой природы света. В 1905 г. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что световая энергия поглощается электронами вещества такими же порциями или квантами, какими она испускается. В частности, в металлах фотоэффект связан с освобождением "свободных" электронов, поглотивших кванты энергии, называемых фотонами, падающего на поверхность металла света.

Металл для свободных электронов является своеобразной потенциальной ямой, выход из которой требует совершения работы по преодолению поверхностных сил, удерживающих электроны в металле. Эти силы обусловлены притяжением выходящего электрона "зеркальным" зарядом, возбужденным электростатической индукцией и действием двойного электрического слоя, возникающего у поверхности металла в результате вылета из него части электронов (рис. 3).

Энергетическая диаграмма электронов в металле представлена на рис. 4.

Кроме потенциальной энергии W_п электрон обладает еще и кинетической энергией, ее значение определяется энергетическим уровнем, который занимает электрон. При абсолютном нуле занятыми оказываются все уровни, начиная от дна ямы, до уровня Ферми W_F Дно ямы соответствует нулевой, а уровень Ферми — максимальной кинетической энергии электрона в металле при абсолютном нуле.

Для выхода за пределы металла электронам, находящимся в потенциальной яме на разных уровнях, необходимо сообщить различную дополнительную энергию. Фотоны видимого света обладают энергией достаточной лишь для выбивания электронов с уровней близких к уровню Ферми. Наименьшая дополнительная энергия, необходимая для выхода электрона из металла с уровня Ферми, носит название работы выхода А_в. Таким образом, если электрон находится у поверхности металла, часть энергии фотона, поглощенная им, затрачивается на совершение работы выхода, а остаток дает значение кинетической энергии электрона после выхода с поверхности металла. Отсюда следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

здесь hn - энергия фотона (h-постоянная Планка, n -частота световой волны), - максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, A_в — работа выхода.

Если квант энергии hn меньше работы выхода электрона из данного вещества, то фотоэффект не произойдёт, т.е. для наступления фотоэффекта должно выполнятся условия

hn ³ A_в

Красная граница фотоэффекта находится из условия

Теория Эйнштейна объясняет пропорциональность тока насыщения падающему световому потоку Ф. Величина светового потока определяется числом фотонов N¢, падающих на катод в единицу времени. Число освобожденных фотоэлектронов N пропорционально числу падающих фотонов N¢, но всегда N < N¢.

Ф ~ N¢, J_Н ~ Ф, J_Н ~ N, следовательно, N ~ N¢.

Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что поглощение фотона электроном (передача энергии при столкновении фотона с электроном) происходит почти мгновенно.

Кроме внешнего фотоэффекта существуют ещё внутренний и вентильный фотоэффекты.

Внутренний фотоэффект наблюдается при действии света на полупроводники и диэлектрики. Для его объяснения используем схемы энергетических зон. При этом в зависимости от вида полупроводника (чистый или примесный) и от энергии фотона возможны три случая. Для удобства объяснения воспользуемся рис. 5 (а,б,в) и введём следующие обозначения:

W_F – энергия, соответствующая уровню Ферми;

W_C - энергия, соответствующая дну (нижнему уровню) свободной зоны;

W_B - энергия, соответствующая потолку (верхнему уровню) валентной зоны; W_A, W_D - энергии, соответствующие примесным уровням.

2. Возникновение фотопроводимости в полупроводнике n -типа, т.е. с донорной примесью проиллюстрировано на рис.5б.

Если энергия фотона hn³W_C-W_D, то возможен переход 1 электрона с локального донорного уровня в свободную зону. При этом возникает фотоэлектрон и примесная электронная фотопроводимость, обусловленная такими фотоэлектронами.

Если энергия фотона , то возможен переход 2, в результате которого возникают одновременно фотоэлектрон и фотодырка (собственная фотопроводимость).

Если энергия фотона , то возможен переход 3, в результате которого в валентной зоне возникает фотодырка, а на примесном локальном уровне появляется фотоэлектрон (примесная дырочная фотопроводимость).

3. Возникновение фотопроводимости в полупроводника p-типа т.е. с акцепторной примесью проиллюстрировано на рис.5в.

Если энергия фотона , то возможен переход 1, в результате которого электрон переходит из валентной зоны на локальный примесный уровень, а в валентной зоне появляется фотодырка (примесная дырочная фотопроводимость).

Если энергия фотона , то, в результате перехода 2 возникают фотоэлектрон и фотодырка (собственная фотопроводимость).

Количество электронов в свободной зоне, появляющихся под действием света, в некоторых полупроводниках бывает очень большим, может во много раз превышать число тепловых электронов проводимости, образовавшихся вследствие теплового возбуждения. Очевидно, что число образующихся носителей тока при фотоэффекте пропорционально числу падающих фотонов света, несущих кванты энергии, т.е. пропорционально световому потоку.

В отличие от фотоэлемента с внешним фотоэффектом фотосопротивление не обладает током насыщения. Чувствительность фотосопротивлений в сотни и тысячи раз больше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Вентильный фотоэффект наблюдается на границе полупроводников n и р типами проводимостей, а также на границе металла с полупроводником. При вентильном фотоэффекте под действием света происходит, разделение положительных и отрицательных зарядов и возникает электродвижущая сила, которая называется фотоЭДС.

В настоящее время фотоэффект нашел широкое, применение в науке и технике. Так, например, внутренним фотоэффектом объясняется действие фотосопротивления, а вентильный фотоэффект применяется в солнечных батареях и фотоэкспонометрах.