6.7.2. Внутренний и вентильный фотоэффект

Внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках, заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням под действием света. При этом не наблюдается вылета электронов за пределы вещества. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, то поглотивший энергию электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется пара носителей тока – электрон и дырка, электропроводность вещества увеличивается. Изменение электропроводности среды под действием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью. Количество образующихся носителей пропорционально падающему световому потоку.

Вентильный фотоэффект – возникновение электродвижущей силы вблизи поверхности контакта между металлом и полупроводником, p-n-перехода или гетероперехода (контакта двух различных по химическому составу полупроводников) под действием электромагнитного излучения. Возникшие под действием света неосновные для данной области носители (электроны в области и дырки в области) проходят через - переход, что ведет к накоплению избыточного положительного заряда в области и отрицательного в области. Возникает приложенное к переходу напряжение (фотоэлектродвижущая сила). Если и области подключить к внешней нагрузке, то в ней будет течь электрический ток, сила которого пропорциональна падающему световому потоку.

6.7.3. Применение фотоэффекта

      Приборы, в основе устройства которых лежит внешний фотоэффект, называют фотоэлементами. Обычный вакуумный фотоэлемент представляет собой вакуумированную колбу, внутреннюю поверхность которой, за исключением небольшого окошечка для доступа света, покрывает тонкая пленка из металла с малой работой выхода (цезий, калий, натрий). Анод представляет собой проволочное кольцо в центре колбы. Между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение порядка  нескольких Вольт. Фотоэлементы находят широкое применение в технике (фотореле, люксметры, системы звукозаписи на пленку и др.). В последнее время вместо вакуумных фотоэлементов стали широко применяться фоторезисторы, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект в полупроводниках.

      Внешний фотоэффект используется также в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) - современных электронных приборах для регистрации и преобразования слабых световых сигналов. Такие приборы широко применяются в астрономии, прикладной оптике, ядерной физике. В ФЭУ фотоэлектронная эмиссия сочетается с системой умножения количества электронов, действие которой основано на явлении вторичной электронной эмиссии.

На внутреннем фотоэффекте основано действие фотосопротивлений, которые применяются для целей фотометрии, т.к. количество образующихся носителей пропорционально падающему световому потоку.

Вентильный фотоэффект используется в кремниевых солнечных батареях, а также в фотоэлектрических фотометоах в фотоаппаратах.

6.7.4. Фотоны

Фотон – квант электромагнитного поля, элементарная частица, масса покоя фотона равна нулю, поэтому его скорость равна скорости света. Не существует системы отсчета, в которой фотон покоится. Представление о фотоне возникло в ходе развития квантовой теории и теории относительности. Развивая идею Планка, Эйнштейн предложил гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из квантов, распространяется в виде квантов и взаимодействует с веществом в виде квантов. На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, люминесценции и фотохимических реакций. В опытах Боте гипотеза Эйнштейна о том, что свет распространяется в виде квантов, нашла экспериментальное подтверждение.

Фотоны возникают (излучаются) в процессах перехода атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией, а также в результате ускорения и торможения заряженных частий, при распадах и аннигиляции элементарных частиц.

Фотон обладает энергией, зависящей от его частоты ( ) или длины волны :

(6.41.6)

Энергия и импульс частицы связаны между собой соотношением

(6.41.7)

Так как масса покоя фотона равна нулю, то импульс фотона равен

(6.41.8)

Из наличия у фотона импульса следует, что свет, падая на какое-либо тело, должен оказывать на это тело давление, равное импульсу, сообщаемому фотонами единице поверхности в единицу времени. Обозначим плотность фотонов (число фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени) через Тогда, если все фотоны поглощаются телом, давление света равно

(6.41.9)

Если часть фотонов отражается поверхностью, давление света равно

(6.41.10)

где – коэффициент отражения.

Выражение (6.41.10) можно привести к виду

(6.41.11)

где – плотность энергии фотонов (энергия фотонов в единице объема).

Световое давление было впервые обнаружено П.Н. Лебедевым. Лебедев использовал легкий подвес на тонкой нити, по краям которого прикреплены легкие лепестки, одни из которых зачернены, а поверхности других зеркальные. Под действием света нить подвеса закручивается на некоторый угол, измеряя который можно вычислить производимое светом давление. Оказалось, что давление света на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на зачерненную.