Реферат: Фотоэффект

Содержание
Введение 3
1. Фотоэффект 6
2. Устройство фотоэлектронных приборов 11
3. Применение фотоэлектронных приборов 16
Заключение 24
Список использованной литературы 25

Дата добавления на сайт: 14 марта 2024

Скачать работу 'Фотоэффект':

Содержание
TOC \o "1-3" \h \z \u Введение3
1. Фотоэффект6
2. Устройство фотоэлектронных приборов11
3. Применение фотоэлектронных приборов PAGEREF _Toc153808468 \h 16
Заключение24
Список использованной литературы PAGEREF _Toc153808470 \h 25
ВведениеВ общем случае термин “ФОТОЭФФЕКТ” означает любые изменения, которые происходят с веществом при поглощении им электромагнитного излучения. Это могут быть, например, изменения строения и свойств молекул и кристаллов (фотохимический эффект), увеличение скорости химических реакций (фотокаталитический эффект), изменение характеристик движения носителей электрического заряда в веществе (фотоэлектрический эффект) и другие явления. Исторически, однако, сложилось так, что под фотоэффектом подразумевают главным образом фотоэлектрические явления, которые можно разделить на два основных вида:
1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, которая представляет собой испускание освещенным телом свободных электронов в вакуум; свободные электроны могут собираться на анод, фокусироваться или ускоряться электрическим полем. Фотоэлектронная эмиссия используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах с внешним фотоэффектом и в более сложных вакуумных приборах, в которых фотоэмиттер служит источником свободных электронов;
2) внутренний фотоэффект, заключающийся в переходе электронов в объеме освещенного полупроводника в возбужденное состояние (т. е. на более высокие энергетические уровни) без изменения нейтральности твердого тела, т. е. без выхода электронов за его пределы. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в виде изменения концентрации электронов проводимости в полупроводнике при его освещении, т. е. в изменении связанных с этим электрических свойств полупроводникового материала. Внутренний фотоэффект используется в большом классе полупроводниковых приемников излучения — в фоторезисторах, фотодиодах, солнечных батареях и других приборах.
История развития учения о фотоэлектричестве и создании фотоэлектронных приборов насчитывает более 150 лет. Еще в 1839 г. А. Беккерель впервые обнаружил образование фотоЭДС на контактах разнородных материалов. К 1873 г. относятся первые сообщения о зависимости сопротивления селена от освещения. В 1875 г. был построен первый селеновый фотоэлемент, использующий это свойство, а в 1876 г. — первый селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.
Внешний фотоэффект был открыт в 1887г. Г. Герцем, который установил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит значительно сильнее, когда металлические электроды освещаются светом, богатым ультрафиолетом (например, светом от искры другого разрядника). Сам термин фотоэлектрические явления впервые был использован итальянским ученым Аугусто Риги, который в 1888 г. обнаружил, что проводящая пластинка, освещенная пучком ультрафиолетовых лучей, заряжается положительно. В том же 1888 году в России А. Г. Столетовым были выполнены фундаментальные работы по исследованию фотоэмиссии и сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта. Ф. Ленард и Дж. Дж. Томсон в 1889 г. доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны. В 1889 г. Эльстер и Гейтель построили первый вакуумный фотоэлемент с фотокатодом из сплава натрия и калия.
Открытие и исследование внешнего фотоэффекта сыграло важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории. Только на основе гипотезы о квантовании энергии электромагнитного поля, проявляющемся в процессах испускания и поглощения света, А. Эйнштейну в 1905 г. удалось объяснить основные закономерности фотоэффекта, за что в 1921 г. ему была присуждена Нобелевская премия.
Основными законами внешнего фотоэффекта (справедливыми для любого материала фотоэмиттера) являются следующие экспериментально установленные соотношения:
1. Величина фототока в режиме насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света, если спектральный состав излучения неизменен (закон Столетова)..
2. Для каждого вещества существует длинноволновая (красная) граница спектра излучения λо, за которой (при λ > λо ) фотоэмиссии не происходит. Эту наибольшую длину волны λо (или наименьшую энергию кванта hνо ) излучения, еще вызывающего фотоэффект, называют также длинноволновым порогом фотоэффекта, а соответствующую ей наименьшую частоту νо= λо /с порогавой частотой (с – скорость света).
3. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна).
Несмотря на то, что внутренний фотоэффект был открыт значительно раньше внешнего, теоретические представления об этом явлении были сформулированы значительно позже. Понимание механизма внутреннего фотоэффекта оказалось возможным только на основе представлений квантовой механики, получившей бурное развитие в 20х – 30х годах прошлого столетия. Применение квантово-механической теории строения атомов для объяснения строения и свойств веществ привело к созданию зонной теории твердого тела и общей теории полупроводников. Именно на основе последней в сороковых годах началось интенсивное развитие теории внутреннего фотоэффекта, приведшей к разработке большого числа новых полупроводниковых фотоэлектронных приборов.
В настоящее время фотоэлектронные приборы широко применяют во многих областях науки и техники. ФотоэффектВ экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны λ, и при неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Рисунок 2.
Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.
Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина Uз оказалась не зависящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты ν света (рис. 3).

Рисунок 3.
Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν падающего света.
Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота νmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света ν > νmin.
Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям электрон при взаимодействии с электромагнитной световой волной должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели невозможно было также понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока, пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.
Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.
Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hν, где h – постоянная Планка Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что и свет имеет прерывистую дискретную структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций – квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.
С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.
Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты ν (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:
Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены Р. Милликеном (1914 г.) и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:
где c – скорость света, λкр – длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602·10–19 Дж). В квантовой физике часто используется электрон-вольт в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон–вольтах в секунду, равно
h = 4,136·10–15 эВ·с. Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные металлы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта λкр ≈ 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.
Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.
Энергия фотонов равна
E = hν.
Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0. Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,
E2 = m2c4 + p2c2, следует, что фотон обладает импульсом

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах – корпускулах.
Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком , и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки.
Устройство фотоэлектронных приборовК фотоэлектронным приборам относятся фотоэлементы, фотоумножители, а также полупроводниковые устройства различного вида.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами — фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещёнными в вакуумированный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фотокатодом служит фоточувствительный слой, который наносится либо непосредственно на участок стеклянного баллона, либо на поверхность металлической пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлического кольца или сетки (рис. 4). Для улучшения характеристик фотоэлемента катод и анод обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3—3 мм. Материалами для фотокатода обычно служат щелочные или щелочноземельные металлы, а также некоторые их соединения, обладающие малой величиной работы выхода электронов. Для таких материалов длинноволновый порог фотоэффекта лежит в видимой области спектра. Наибольшее распространение среди фотоэлементов с внешним фотоэффектом получили вакуумные фотоэлементы с сурьмяно-цезиевым, многощелочным и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.
132270517018000
Рис. 4. Типичные конструкции вакуумных фотоэлементов: А - вывод анода; К – вывод фотокатода; ОК - вывод металлического охранного кольца (устанавливается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).
В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного разряда фототок усиливается (например, коэффициент усиления при заполнении фотоэлемента аргоном составляет 6 – 8 ). Применение газонаполненных фотоэлементов ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой характеристики — зависимости фототока от падающего светового потока.
Для получения сигнала от фотоэлемента его необходимо включить в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и сопротивления нагрузки (рис. 5). Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
20847052921000
Рис. 5. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом: К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; Е—источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между катодом и анодом электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн — нагрузка.
Фотоэлементы широко применяются в различных приборах и системах для регистрации световых потоков, однако их недостатком является низкая чувствительность. Это обусловлено тем, что в фотоэлементах через сопротивление нагрузки проходит непосредственно фототок, величина которого ограничена числом квантов света, попавших на фотокатод. В то же время в некоторых областях науки и техники, например в спектральном анализе или при астрономических наблюдениях удаленных слабосветящихся объектов, необходимо регистрировать очень слабые потоки света. Для этих целей были разработаны специальные фотоэлектронные приборы, которые называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), или просто фотоумножителями.
В фотоумножителях для усиления слабых фотоэлектронных потоков использовано явление вторичной электронной эмиссии. Они содержат кроме фотокатода и анода дополнительно один или несколько электродов, являющихся эмиттерами вторичных электронов. Эмиттеры вторичных электронов называют динодами, а систему электродов, обеспечивающую умножение электронов — динодной системой. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 3, общий вид одного из типов прибора – на рис.6.
25590533972500
Рис. 6. Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения: ФК — фотокатод; I — фокусирующий электрод; Д — диафрагма; Э1. . . .Э5 — диноды; А — анод; RД — сопротивление делителя напряжения; RН — нагрузочное сопротивление в цепи анода; Са — емкость анода.
Падающее на фотокатод излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию. Число электронов, эмитируемых в единицу времени фотокатодом, пропорционально интенсивности излучения. Электроны покидают фотокатод под различными углами к его поверхности и с различными начальными скоростями. Для того чтобы собрать их на первый динод Э1, необходима фокусирующая электронно-оптическая система. Она состоит из ряда электродов (I, Д), образующих электростатические линзы. Пространство между фотокатодом и первым динодом называют входной камерой ФЭУ. Во входной камере осуществляется фокусировка и ускорение фотоэлектронов, направляемых па первый динод. Фотоэлектроны, падая на первый динод, вызывают вторичную электронную эмиссию. Количество вторичных электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше, чем число фотоэлектронов, и зависит от материала динода и ускоряющего напряжения между катодом и первым динодом (т. е. от энергии первичных электронов). Вторичные электроны направляются на второй динод, умноженный поток электронов со второго динода — на третий и т. д. Напряжение на электроды ФЭУ подается таким образом, чтобы между каждой парой динодов создавалось электрическое поле, ускоряющее электроны от предыдущего динода к последующему. Получаемое таким образом усиление фототока может достигать нескольких тысяч, т.е. один квант света, попавший на фотокатод ФЭУ, приводит к прохождению через сопротивление нагрузки нескольких тысяч электронов.
Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом (р – п - переходом) или контактом металл— полупроводник (рис. 7).
20847058509000
Рис. 7. Схема фотоэлемента с внутренним фотоэффектом: р и п — области полупроводника с дырочной и электронной проводимостями. Пунктирной линией обозначен р-n - переход.
При поглощении оптического излучения в таком фотоэлементе увеличивается число свободных носителей заряда внутри полупроводника, которые пространственно разделяются электрическим полем перехода (контакта)....