1 Фотоэффект Лекции по дисциплине «Основы анализа поверхности методами атомной физики» Профессор каф. общей физики ТПУ Н.Н. Никитенков.

2 Определение фотоэффекта Фотоэффект - любые изменения, которые происходят с веществом при поглощении им электромагнитного излучения Это могут быть: 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 др.

3 ФОТОЭФФЕКТ (фотоэлектронная эмиссия) испускание освещенным телом свободных электронов в вакуум; внешний внутренний Применение: вакуумные и газонаполненные фотоэлементы с внешним фотоэффектом и более сложные вакуумные приборы, в которых фотоэмиттер служит источником свободных электронов переход 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. Применение: большой класс полупроводниковых приемников излучения: фоторезисторы, фотодиоды, солнечные батареи проявляется, например, в виде изменения концентрации электронов проводимости в полупроводнике при его освещении, т. е. в изменении связанных с этим электрических свойств полупроводникового материала свободные электроны могут собираться на анод, фокусироваться или ускоряться электрическим полем.

4 История развития учения о фотоэлектричестве и создании фотоэлектронных приборов насчитывает более 150 лет г. - А. Беккерель впервые обнаружил образование фотоЭДС на контактах разнородных материалов г. - первые сообщения о зависимости сопротивления селена от освещения г. - построение первого селенового фотоэлемента, использующего это свойство г. - первый селеновый фотоэлемент с запирающим слоем г. – открытие Г. Герцем внешнего фотоэффекта, который установил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит значительно сильнее, когда металлические электроды освещаются светом, богатым ультрафиолетом (например, светом от искры другого разрядника) г. – итальянский уч. Аугусто Риги обнаружил, что проводящая пластинка, освещенная пучком ультрафиолетовых лучей, заряжается положительно; ввел термин фотоэлектрические явления г. - А. Г. Столетовым выполнены фундаментальные работы по исследованию фотоэмиссии и сформулированы основные законы внешнего фотоэффекта г. - Ф. Ленард и Дж. Дж. Томсон доказали, что при фотоэффекте испускаются электроны г. - Эльстер и Гейтель построили первый вакуумный фотоэлемент с фотокатодом из сплава натрия и калия г. - А. Эйнштейн объяснил основные закономерности фотоэффекта на основе гипотезы о квантовании энергии электромагнитного поля, проявляющемся в процессах испускания и поглощения света г. – Нобелевская премия.

5 R VмА +- КА Схема экспериментальной установки МОНОХРОМАТИЧЕСКИЙ СВЕТ U I

6 U -Uз 1 2 I н1 I н2 I Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. I н1 и I н2 – токи насыщения, U з – запирающий потенциал. При достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода (К), достигают А. Ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда U |eU|. Если U анода фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

7 Зависимость запирающего потенциала U з от частоты ν падающего света

8 Основные закономерности фотоэффекта, Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности (закон Эйнштейна). Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон: Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота ν min, 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 > ν min.

9 Фотоэлектронные приборы: 1. фотоэлементы А - вывод анода; К – вывод фотокатода; ОК - вывод металлического охранного кольца (устанавливается для исключения попадания токов утечки на нагрузку). Типичные конструкции вакуумных фотоэлементов: 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; R н нагрузка. Применение: Различные прибора и системы для регистрации световых потоков Недостаток: низкая чувствительность

10 2. фотоумножители Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения: ФК - фотокатод; I - фокусирующий электрод; Д - диафрагма; Э1....Э5 - диноды; А - анод; R Д - сопротивление делителя напряжения; R Н нагрузочное сопротивление в цепи анода; С а емкость анода. RДRД ФК I Д Э1Э1 Э2Э2 Э3Э3 Э4Э4 Э5Э5 А RНRН СаСа

11 3. полупроводниковые устройства Схема фотоэлемента с внутренним фотоэффектом: p и n области полупроводника с дырочной и электронной проводимостями. Пунктирной линией обозначен р-n - переход Полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переход (p-n - переходом) – фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте. В качестве материалов для полупроводникового фотоэлемента используются Se, GaAs, CdS, Ge и Si. Применение: Приемники оптического излучения, для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию в солнечных батареях.

12 1. Объективная фотометрия, различного рода световые, цветовые, спектральные измерения (спектроскопия и спектрофотометрия), а также измерение весьма слабых излучений (в астрофизике, в биологии и других областях научного исследования). 2. Фотоэлектрический контроль и управление производственными процессами, автоматика, транспорт, бытовая техника. 3. Электронные счетные, запоминающие и записывающие устройства. 4. Регистрация и измерение инфракрасного излучения, сигнализация и локация в видимых и инфракрасных лучах, техника ночного видения. 5. Системы оптической связи на лазерах. 6. Преобразование энергии солнечного излучения непосредственно в электрическую энергию (солнечные батареи, широко применяющиеся для питания аппаратуры искусственных спутников Земли и других устройств). 7. Оптоэлектроника. Основные области применения фотоэлектронных приборов

13

14

15

16

17 Основными законами внешнего фотоэффекта (справедливыми для любого материала фотоэмиттера) являются следующие экспериментально установленные соотношения: 1. Величина фототока в режиме насыщения прямо пропорцио­ нальна 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 фотоэлект­ ронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зави­сит от его интенсивности (закон Эйнштейна).

18 Фото: А. Беккерель, Г. Герцем, Аугусто Риги, А. Г. Столетовым, Ф. Ленард и Дж. Дж. Томсон, Эльстер и Гейтель