Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) заключается в обусловленном действием света перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, то поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, то под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости.

Рис.7. Схема включения полупроводника в электрическую цепь

Если полупровод­ник Ф (рис.7), включенный в электри­чес­кую цепь, осветить, то ток в цепи изменится, так как под действием света изменяется электри­ческое сопротивление полу­про­вод­ника. Так как при внутреннем фото­эффекте происходит перераспреде­ление электронов по энергети­ческим уровням, концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости. Сопротивление полупроводника под действием света уменьшается, так как свет переводит электроны из заполненной валентной зоны в зону проводимости.

Внутренний фотоэффект наблюдается в диэлектриках и полупроводниках.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя) заключается в возникновении ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла.

Рис.8. Схема фотоэлемента с запирающим слоем

Вентильный фотоэффект был впервые (1888 г.) обнаружен русским физиком В.А. Ульяновым. Суть его состоит в том, что электроны проходят сквозь запирающий слой и заряжают расположенную на нем контактную пленку металла. Запирающий слой очень тонок, поэтому выбитые электроны свободно сквозь него проходят. В обратном направлении электроны пройти не могут, так как уже не обладают для этого достаточной кинетической энергией. На рис. 8 изображена схема фотоэлемента с запирающим слоем. На пластинку железа наносится тонкий слой селена, который покрыва­ется очень тонким слоем золота. На границе между слоем золота и селена образуется запирающий слой, который хорошо пропускает элект­роны, вырванные светом из слоя селена, в направ­ле­нии к пленке золота и не пропускает их обратно. В резуль­тате этого между слоем золота и железной подлож­кой возникает ЭДС, а если внешняя цепь замкнута, то в ней будет идти электрический ток.

1.4. Давление света

Давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого- либо тела.

Свет обнару­живает корпуску­лярно-волновой дуализм (двойст­вен­ность): в одних явлениях проявля­ется его волновая природа и он ведет себя как электро­маг­нитная волна, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света и он ведет себя как поток фотонов.

В квантовой оптике световое давление является следствием того, что у фотона имеется импульс:

Из наличия у фотона импульса вытекает, что свет, падающий на какое-либо тело, должен оказывать на это тело давление, равное импульсу, сообщаемому фотонами единице поверхности в единицу времени.

Если в единицу времени на единицу поверхности тела падает фотонов, то при коэффициенте отражения света от поверхности тела фотонов отразится, а – поглотится. Каждый поглощённый фотон передаёт поверхности импульс , а каждый отражённый .

Тогда давление на поверхность равно

.

Учитывая, что , где – общее число фотонов, а – энергия всех фотонов, получаем:

,

где – объёмная плотность энергии излучения; – коэффициент отражения света. Для зеркальных тел , соответственно , для чёрных , .

Существование светового давления объясняется с точки зрения электромагнитной теории света. При падении электромагнитной волны на металл (рис.9), под действием электрического поля волны с напряженностью электроны металла будут двигаться в направлении, противоположном вектору со скоростью . Магнитное поле с индукцией действует на движущиеся электроны с силой Лоренца в направлении, перпендикулярном поверхности металла. Таким образом, световая волна оказывает давление на поверхность металла.

Существование светового давления экспериментально доказано опытами П.Н. Лебедева.

Рис.9. Схема, поясняющая существо­ва­ние светового давления с волновой точки зрения	Рис. 10. Схема при­бора П.Н. Лебе­де­ва

Прибор П.Н. Лебедева представлял собой легкий каркас с укрепленными на нем тонкими дисками – светлыми и темными (рис. 10). Диски располагались симметрично относительно оси подвеса, вокруг которой каркас мог поворачиваться. Свет, падая на диски, оказывал на светлые и темные диски различное давление. В результате каркас, подвешенный на тонкой стеклянной нити, испытывал вращающий момент, который закручивал нить. Давление света определялось по углу закручивания нити.