13. Фотоэлектрические и фотохимеческие явления

13.1. Фотоэлектрические явления

Эффект фотопроводимости – фоторезистивный эффект, увеличение электропроводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения. Впервые выше названный эффект наблюдался у Se У. Смитом в 1873 г. Она (фотопроводимость) обусловлена увеличением концентрации подвижных носителей заряда под действием света и возникает в результате нескольких процессов: фотоны «вырывают» электроны из валентной зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно возрастает число электронов проводимости и дырок (собственная проводимость). Наблюдается также дырочная примесная и электронная примесная проводимость. Фотопроводимостью обладают все неметаллические твердые тела. Наиболее широко применяются в технике: Ge, Si, Se, CdS, CdSe, GaAs, PbS и др.

Зависимость проводимости от длины волны излучения определяется спектром поглощения

полупроводника

Применение: фоторезистор, фотодиод (приемник ПК-излучения) [3].

Явление внешнего фотоэффектасостоит в испускании (эмиссии) электронов с поверхности тела под действием света; для этого явления экспериментально установленные зависимости объединяются квантовой теорией света. Свет есть поток квантов; кванты света, попадая в вещество, поглощаются им; избыточная энергия передается электронами, которые получают возможность покинуть это вещество – конечно, если энергия кванта больше, чем работы выхода электрона. Заметим, что квантовый характер света, проявляющийся в явлении фотоэффекта, не следует понимать как отрицание волновых свойств света; свет есть и поток квантов, и электромагнитная волна просто в зависимости от конкретного явления проявляются или квантовые, или волновые свойства. На основе внешнего фотоэффекта создан ряд фотоэлектронных приборов (фотоэлементы различного назначения, фотокатоды, фотоумножители и т.д.). Внешний фотоэффект играет большую роль в развитии электрических зарядов; фотоэффект в газах определяет распространение электрического заряда в газах при больших давлениях, обуславливая высокую скорость распространения стримерной формы разряда (искры, молнии).

Кроме внешнего фотоэффекта, существует внутренний фотоэффект. Квант света, проникая внутрь вещества, выбивает электрон, переводя его из связанного состояния (в атоме) в свободное – таким образом, при облучении полупроводников и диэлектриков из-за фотоэффекта внутри кристаллов появляются свободные носители тока, что существенно изменяет электропроводность вещества. На основе внутреннего фотоэффекта созданы различного родафоторезисторы– элементы, сильно изменяющие свое сопротивление под действием света.

Примеры применения:

- устройство для управления световым лучом, выполненное в виде конденсатора между электродами которого заключен слой вещества изменяющего прозрачность под действием электрического поля, отличающееся тем, что с целью уменьшения габаритов, один из электродов конденсатора связанный с источником управляющей электродвижущей силы выполнен из материала, обладающего эффектом возникновения фотоэлектродвижущей силы;

- пьезоэлектрический преобразователь с оптическим управлением, содержащий фоторезисторный слой, светопровод и металлический электрод, отличающееся тем, что с целью расширения частотного диапазона в область низких мегагерцовых и высоких килогерцовых частот, он выполнен в виде пьезокерамической платины, на одну сторону которой нанесен металлический электрод, а на противоположную – фоторезисторный слой и прозрачный электрод, являющийся одновременно светопроводом.

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект– появление ЭДС в месте контакта двух полупроводников (или полупроводника и металла). Основное применение вентильных фотоэлементов – индикация электромагнитного излучения.

На основе вентильного фотоэффекта работают также солнечные батареи. Одним из приборов работающих на вентильном фотоэффекте, является фотодиод, обладающий многими преимуществами по сравнению с обычными фотоэлементами.

Пример применения:

- устройство для регулирования напряжения электромагнитных генераторов содержащее датчик тока, в виде шунта в цепи его нагрузки и импульсный транзисторный усилитель, ко входу которого подключены последовательно стабилизаторон с ограничивающим резистором и формирователь пилообразного напряжения, к выходу обмотка возбуждения генератора, отличающееся тем, что с целью повышения надежности и точности регулирования параллельно упомянутому шунту включен светодиод одноэлектронной пары, фотодиод который через цепь подпитки подключен параллельно ограничивающему резистору.

Эффект Дембера(фотодиффузный эффект). Вне собственных полупроводниках коэффициенты диффузий носителей тока (электронов и дырок) различные. Таким образом, если какой-то части проводника фотоактивное освещение создает одинаковое число электронов и дырок, то диффузия этих носителей будет происходить с разной скоростью, в результате чего в кристалле возникает ЭДС

Эффект Дембера – возникновение электрического поля и ЭДС в однородном полупроводнике при его неравномерном освещении. В частности, ЭДС возникает между освещенной и не освещенной поверхностями полупроводника при сильном поглощении света в нем. Открыт немецким физиком Дембером в 1931 г. Фотоэдс его очень мала [3].

Фотопьезоэлектрический эффект. Обеспечить различие подвижности фотоэлектронов и фотодырок в полупроводнике можно каким-либо внешним воздействием. Так, при одностороннем сжатии освещенного полупроводника на грани кристалла, перпендикулярно направлению сжатия, возникает ЭДС, знак которой зависит от направления сжатия и направления светового потока, а величина пропорциональна давлению и интенсивности света. Эффект возникает из-за того, что подвижности разноименных носителей тока, обусловленных внутренним фотоэффектом, при упругой деформации кристалла становятся не одинаковыми по отношению к различным направлениям.

Эффект Кикоина-Носкова(фотомагнитный эффект).

Суть эффекта состоит в возникновении электрического поля в полупроводнике при перемещении его в магнитное поле и одновременном освещении светом, в составе которого имеются спектральные линии, сильно поглощаемые полупроводником. При этом возникшее электрическое поле перпендикулярно магнитному полю и направлению светового потока. Величина света магнитной ЭДС пропорциональна магнитной индукции и интенсивности светового потока. Эта пропорциональность нарушается при больших освещенностях, когда происходят "насыщения". Механизм эффекта таков: В результате внутреннего фотоэффекта вблизи освещенной поверхности полупроводника в избытке образуются электроны и дырки, которые диффундируют вглубь кристалла. Продольный диффузионный ток под действием поперечного магнитного поля отклоняется и расщепляется, что приводит к возникновению поперечной ЭДС