Фотоэффект и его применение

Воздействие света на вещество сводится к передаче этому веществу энергии, переносимой световой волной, в результате чего могут возникнуть различные эффекты. Одним из них является фотоэлектрический эффект (фотоэффект). В настоящее время различают три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и фотогальванический (фотоэффект в запирающем слое, или вентильный фотоэффект).

К областям применения фотоэлектрического эффекта относятся:

1) фотоэлектронная автоматика и телемеханика, в которой различные сочетания фотоэлектрических приборов и усилителей, реагируя на световые сигналы, оказывает действие на системы управления и регулирования различных энергетических, транспортных и промышленных установок;

2) измерения силы света и освещенности (люксметры), а также температуры (пирометры);

3) звуковое кино, телевидение, оптическая телеграфия, видение в темноте при помощи инфракрасных лучей и т.д.

Внешний фотоэффект заключается в испускании поверхностью металлов электронов во внешнее пространство (вакуум или газ) под действием падающего на эту поверхность потока световой энергии.

Опытным путем были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте излучения число электронов (фотоэлектронов), вырываемых с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально плотности светового потока.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т. е. максимальная длина волны λ₀ (минимальная частота ν₀₎, при которой ещё возможен фотоэффект, независимо от плотности светового потока и продолжительности облучения.

Для объяснения законов фотоэффекта Эйнштейн предположил, что поток энергии световой волны не является непрерывным, а представляет собой поток дискретных порций энергии, называемых квантами или фотонами.

Энергия фотона, соответствующая свету с частотой ν, равна:

Е_фотона = hν, (1)

где h = 6,62 · 1 0^-34 Дж × с – постоянная Планка.

Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему всю свою свободную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может преодолеть удерживающие его в металле силы и выйти из металла.

В этом процессе соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в виде:

hn = A_вых + , (2)

где – максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона, A_вых - работа выхода (работа, совершенная электроном для преодоления сил, удерживающих его в объеме металла). Соотношение (2) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Оно полностью объясняет все особенности внешнего фотоэлектрического эффекта.

Из формулы (2) следует, что в случае, когда работа выхода A_вых превышает энергию кванта hn, электрон не сможет выйти за пределы металла. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия: hn ≥ A_вых. Этим объясняется наличие красной границы, т.е. максимальной длины волны λ₀ или минимальной частоты ν₀ = A_вых/ h, при которой ещё возможен фотоэффект. Так как ν₀ = c/λ₀ , то

λ₀ = hc/ A_вых, (3)

где с = 3·10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рис.1 а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является катодом (фотокатодом). Против него оставляют прозрачное окно обычно из кварцевого стекла, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рис.1 б.

К I Ф₁ Ф₁>Ф₂

A mA V R ε Ф₂

К А

0 U

Рис. 1 а Рис. 1 б Рис. 2

Между катодом К и анодом А создается регулируемая потенциометром R разность потенциалов - напряжение U, измеряемое вольтметром V. Сила тока I, проходящего между анодом и катодом, определяется миллиамперметром (mA). При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода и в цепи возникает ток, получивший название фототока. На рис.2 показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Как видно из графика, сначала фототок линейно увеличивается при увеличении анодного напряжения, так как при этом все большее количество вылетевших с катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Этот ток называется током насыщения.

Сила тока насыщения I_н прямо пропорциональна падающему световому потоку Ф:

I_н = γ?Ф, (4)

где γ - чувствительность фотоэлемента.

Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока (света с одной длиной волны). Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии – для преобразования инфракрасного излучения в видимое.

Внутренним фотоэффектом называется изменение электрической проводимости некоторых кристаллических тел (полупроводников) вследствие появления под действием потока световой энергии внутри всех этих тел добавочных электронов проводимости.

На явлении увеличения проводимости полупроводников при освещении их светом основано действие фоторезисторов. Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значение чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов (т.е. фототок не сразу достигает своего значения, соответствующего данному световому потоку, а лишь через некоторый промежуток времени), что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных установках, а также в фотометрической аппаратуре для измерения световых характеристик.

Фотогальванический (вентильный) фотоэффект – это возникновение тока на границе между полупроводником и металлом, когда электроны покидают пределы тела, проходя через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводник) или жидкость (электролит) под действием световой энергии без участия посторонней электродвижущей силы.

Типичная конструкция вентильных полупроводниковых фотоэлементов, которые изготовляются на основе меди, селена, германия, кремния, сернистого серебра и др., приведена на рис.3. Пластинка 1, например, из чистой меди путем нагревания ее в атмосфере кислорода покрывается тонкой пленкой 3 оксида меди (I) (Cu₂O). Сверху наносят слой 4 какого-либо металла, прозрачного для света (например, золото). При облучении светом слоя оксида меди (I) в ней, благодаря внутреннему фотоэффекту, возникают свободные электроны. На границе между оксидом меди (I) и медной пластинкой образуется очень тонкий (10^-5 - 10^{-6 см)} слой 2, пропускающий электроны только от Cu₂O к Cu и препятствующий их обратному движению. В результате медь заряжается отрицательно, а оксид меди (I) – положительно.

Рис.3

Наличие такого вентильного, или запирающего, слоя, на границе которого под действием света появляется дополнительная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила), обуславливает выпрямляющее действие устройства и наблюдается во многих полупроводниках. Отсюда фотогальванический фотоэффект часто называют вентильным, или фотоэффектом в запирающем слое. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается в том, что для их работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила.

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов значительно превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Она может достигать нескольких тысяч микроампер на люмен. Вентильные фотоэлементы используются для солнечных батарей, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры, а также в фотометрии для измерения светового потока и освещенности, что используется в санитарно-гигиенической практике. (Фотометрия - раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками.)