Вопрос 3. Однофотонный и многофотонный фотоэффект.

Рассмотренный нами внешний фотоэффект называется однофотонным, согласно которому каждый поглощенный квант света инициирует испускание атомом только одного электрона.

При больших интенсивностях света (лазерное излучение) возможен нелинейный многофотонный фотоэффект, который наблюдается при одновременном поглощении атомом энергии фотонов (). Уравнение для многофотонного фотоэффекта имеет вид:

. (17.10)

Если , где- энергия одного фотона, тогда, т.е. красная граница, выраженная в частотах, станет враз меньше по сравнению с однофотонным фотоэффектом.

Таким образом, многофотонный фотоэффект приводит вообще к исчезновению красной границы фотоэффекта, определяемой формулой (17.6) и ее смещению в длинноволновую область шкалы электромагнитных волн.

Явление внешнего фотоэффекта используется в фотоэлементах – приборах, предназначенных для регистрации и измерения световых потоков путем преобразования световых сигналов в электрические. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Часть внутренней поверхности его покрыта слоем металла, который является фотокатодом. Анод изготавливают в виде металлической петли или сетки, которую помещают во внутрь баллона. Вещество фотокатода подбирают в зависимости от области спектра, где будет работать фотоэлемент. Обычно на фотоэлемент подается анодное напряжение, которое обеспечивает фототок насыщения. В этом случае в соответствии с первым законом фотоэффекта сила тока в цепи фотоэлемента будет строго пропорциональна световому потоку, падающему на фотокатод.

Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны, однако чувствительность их весьма мала, сила фототока также невелика.

Одним из способов увеличения слабых фототоков является вторичная электронная эмиссия, используемая в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ). ФЭУ представляет собой вакуумную трубку, в которой находится фотокатод и несколько анодов, называемых динодами. На каждый следующий динод подается положительный потенциал по отношению к предыдущему диноду. Слабый поток фотоэлектронов, ускоренный электрическим полем между катодом и первым динодом, вследствие вторичной электронной эмиссии выбивает большее число электронов, которые направляются ко второму диноду, и т.д. При коэффициенте вторичной электронной эмиссии (−число падающих на динод электронов,n – число вылетающих из него электронов) в ФЭУ может достигаться усиление фототока в миллионы раз.

Выходной ток фотоумножителя обычно относительно невелик, не больше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фотоумножителя – не получение больших выходных токов, а регистрация слабых световых потоков.

Вопрос 4. Внутренний фотоэффект.

Явление внутреннего фотоэффекта наблюдается при освещении диэлектриков или полупроводников светом определенной частоты. Под действием поглощенных квантов света в этом случае электропроводность вещества увеличивается за счет повышения у них концентрации свободных носителей заряда. Поэтому это явление называют также фотопроводимостью. Явление внутреннего фотоэффекта используется в фоторезисторах, сопротивление которых зависит от поглощенного светового потока (рис. 17.3). Здесь 1 - подложка из диэлектрика, 2 - полупроводник, 3 - металлические электроды.

Рис. 17.3 Рис. 17.4

Сущность вентильного фотоэффекта, или фотоэффекта в запирающем слое состоит в том, что вследствие внутреннего фотоэффекта возникает разность потенциалов вблизи контакта между металлом и полупроводником или между полупроводниками - итипа. На рис. 17.4 представлена схема вентильного фотоэлемента. На металлический электрод 1 нанесен слой полупроводника 2, покрытый тонким полупрозрачным слоем золота 4, к нему плотно приварено металлическое кольцо 5, служащее электродом. Между полупроводником и слоем золота образуется промежуточный слой 3 (p-n-переход), в котором в области контакта золота и полупроводника или двух полупроводников p- и n-типа при освещении p-n -перехода светом возникают дополнительные носители заряда (электроны − в-области и дырки − вn-области), которые достаточно легко проходят через переход. В результате в -области образуется избыточный положительный заряд, а вn-области – избыточный отрицательный. Возникающая на контактах этих полупроводников разность потенциалов при поглощении в нем квантов электромагнитного излучения называется фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС). Если такой образец включить в замкнутую цепь, возникнет электрический ток, который называется фототоком. Значение фото−ЭДС при небольших световых потоках пропорционально падающему на кристалл потоку. На явлении вентильного фотоэффекта основано действие солнечных батарей. Они представляют собой от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч элементов из кремниевых -переходов, соединенных последовательно. Солнечные батареи преобразуют световую энергию непосредственно в электрическую. Они начали использоваться на космических летательных аппаратах, для индивидуального обеспечения электричеством частных домов и т.д.

Солнечная энергетика является одним из важнейших направлений развития энергетики будущего. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Хотя это пока еще дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более, что такая энергия экологически безопасна и ее запасы практически неисчерпаемы.

Сейчас получение энергии с помощью солнечных батарей осуществляется в промышленных масштабах, в мире проводятся исследования над увеличением мощности солнечных фотоэлектрических установок. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мирового количества электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и использоваться на транспорте, в машиностроении, приборостроении, медицине, космосе и других отраслях. О перспективах развития солнечной энергетики говорит такой факт: если в 1985 году все установленные мощности солнечных электростанций мира составляли 21 МВт, то в 2010 году суммарные мощности фотоэлектрических станций достигли 40000 МВт, т.е. за 25 лет мощности электростанций, вырабатывающих электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей, увеличились примерно в 2000 раз.

Рассмотренные виды фотоэффекта ис­пользуются для кон­троля, управления и автоматизации раз­личных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излу­чением, в раз­личных системах связи. В частности, в волоконно-оптических линиях связи фотоэлектрические преобразователи используются в качестве основных элементов.

Контрольные вопросы:

1. Почему фотоэлектрические измерения весьма чувствительны к веществу и состоянию поверхности фотокатода?

2. Как при заданной частоте света изменится фототок насыщения с уменьшением освещенности катода?

3. Как из опытов по фотоэффекту определяется постоянная Планка?

4. При замене одного металла другим длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта, уменьшается, т.е. λ₀₁ > λ₀₂. Если А₁ и А₂ − работы выхода электронов соответственно из первого и второго металлов, то какая из этих работ больше?

5. Как с помощью уравнения Эйнштейна объяснить I и II законы фотоэффекта?

6. Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики, соответствующие двум различным освещенностям катода при заданной частоте света.