44. Фотоэффект. Законы фотоэффекта

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний, вентильный.

Внешним фотоэффектом назы­ва­ет­­ся испускание электронов вещес­твом под действием электромаг­нит­но­го излучения.

Внутренний фотоэффект  это выз­ван­ные электромагнитным излучением пе­ре­ходы электронов внутри полу­проводника или диэлектрика из связанных состояний в сво­бодные без вылета наружу. В ре­зуль­тате увеличивается концентрация элек­тро­нов, что приводит к возникновению фото­про­во­димости  повышению электро­про­вод­ности, возникновению ЭДС при освещении.

Вентильный фотоэффект  это возни­кновение ЭДС при освещении кон­такта полупроводников (полупроводника и металла) при отсутствии внешнего поля. Это путь прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

В 1888-1890 годах А.Г. Столетов провел систематическое иссле­дование внешнего фотоэффекта. Облучая катод светом различных длин волн, Сто­летов установил следующие свойства фотоэффекта:

1. под действием света веще­с­тво теряет толь­ко отрицательные заряды;

2. наиболее эффективное дей­ствие оказы­вают ультрафиолетовые лучи;

3. фотоэффект практически без­ынер­цио­нен, т.е. промежуток времени между моментом освещения и началом разрядки ничтожно мал.

Три закона фотоэффекта (законы Столетова):

1. При фиксированной частоте падающего света ( = const) сила фототока насыщения I_н прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку Е.

2. Максимальная кинети­чес­кая энергия вырванных светом элект­ронов (максимальная скорость электрона v_max) растет с ростом частоты падающего света и не зависит от светового потока.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некото­рой характерной для каждого металла величины _кр, называемой "красной границей" фотоэффекта. Частота _кр зависит от химической при­роды вещества и состояния его поверхности.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

В 1905 году А.Эйнштейн, опираясь на работы М.Планка по излу­чению нагретых тел, предложил квантовую теорию фотоэффекта.

, (1)

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .

Применение фотоэффекта

1. Фотоэлементы  приемники излучения, преобразующие энергию излучения в электрическую энергию.

• 

  Рис. 3. Полупроводниковый фотодатчик для измерения интенсивности фотовспышки

  Вакуумный фотоэлемент (интегральная чувствительность 20 … 150 мкА/Лм):

- с кислородно-цезиевым катодом для видимого и инфракрасного излучения;

- с сурьмяно-цезиевым катодом для ультра­фи­оле­то­вого излучения.

Используется в экспонометрах, люкс­мет­рах, микрокалькуляторах, фотореле и т.д.

• Газонаполненный фотоэлемент (ин­тег­раль­ная чувствительность 1 мА/Лм), баллон заполняется разряженным инертным газом при давлении 1,3…13 Па. Фототок усиливается из-за ударной ионизации газа.

2. Фотосопротивления (фоторезисторы)  фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.

3. Вентильные фотоэлементы (фотоэлементы с запирающим слоем), в них происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую энергию. Они имеют большую интегральную чувствительность 2…30 мА/Лм. Используются в солнечных батареях, КПД до 22%.

Рис. 4. Солнечная батарея спутника

Рис. 5. Дом с крышей из солнечных батарей