Внутренний фотоэффект

В дальнейшем было открыто явление внутреннего фотоэффекта, о котором мы уже вкратце упоминали.

Это явление связано уже не с проводниками (металлами), а с полупроводниками. Как известно, полупроводники являются таковыми в следствие того, что все уровни валентной зоны уже заняты электронами, а для попадания на разрешенные уровни зоны проводимости необходимо преодолеть запрещенную зону (см. рис. 4). Для этого электроны должны обладать значительной энергией. Такой необходимой энергией обладают немногие электроны, поэтому полупроводники и довольно плохо проводят электрический ток.

Однако если полупроводник облучать светом, то электроны будут получать дополнительную энергию за счет квантов света и, если эта энергия достаточна, они будут попадать в зону проводимости. При этом в валентной зоне останутся дырки. Таким образом, проводимость полупроводника резко возрастает.

А налогичным эффектом будут обладать, очевидно, и примесные полупроводники.

На этом свойстве полупроводников основано действие так называемых фотосопротивлений, фоторезисторов, величина сопротивления которых зависит от освещенности. На схемах фоторезисторы обозначаются так, как показано на рис. 5.

Вентильный фотоэффект

Рассмотрим теперь контакт полупроводников двух типов примесной проводимости.

Как известно, на этой границе раздела возникает запирающее напряжение. Это напряжение является запирающим для основных носителей тока, а для неосновных носителей оно, соответственно, будет ускоряющим.

Будем облучать теперь полупроводниковый контакт светом. При этом кристаллах будут возникать неосновные носители. Конечно, будут возникать и основные носители, но мы ими сейчас не интересуемся, поскольку они будут останавливаться запирающим напряжением. А неосновные носители будут проходить запирающий слой, и скапливаться на внешних границах.

Если теперь соединить эти границы проводником, то по цепи потечет ток. Величина этого тока зависит, очевидно, от энергии падающего света.

Такие устройства могут применяться для измерения освещенности, для создания так называемых солнечных батарей.

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, было показано, что свет излучается и поглощается порциями ‑ квантами. Носителями этой энергии являются особые световые частицы ‑ фотоны.

Рассмотрим характеристики фотона.

1). Фотон обладает энергией

(2)

2). Фотон обладает массой. Действительно, согласно теории относительности

(3)

Однако мы знаем, что масса зависит от скорости: . Скорость фотона равна скорости света . Отсюда вытекает, что . Однако, масса фотона не равна бесконечности . Отсюда мы вынуждены заключить, что масса покоя фотона равна нулю . В этом случае ‑ неопределенность, может принимать любое значение.

Таким образом, фотон не может не двигаться и его скорость не может не равняться скорости света.

То, что фотон обладает гравитационной массой, убеждает нас отклонение лучей света, идущих от звезд, в гравитационном поле Солнца. Кроме того, так как гравитационная масса эквивалентна гравитационной массе, то фотон обладает и инертной массой.

3). Фотон обладает импульсом. Действительно, согласно теории относительности:

А так как для фотона , то

(4)

Но если фотон обладает импульсом, то он должен давить на преграду. Это было доказано точнейшими экспериментами русского физика Лебедева.

В то же время свет обладает волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация).

Как это сопоставить с нашими обычными представлениями о материи? Эти противоречивые свойства света представляют следующим образом.

Пусть в некоторой среде распространяется свет. Интенсивность света в некоторой точке этой среды определяется квадратом амплитуды волны ‑ . А энергия волны в некотором объеме , окружающем рассматриваемую точку, будет определяться как .

С другой стороны, энергия в объеме будет определяться плотностью потока фотонов. Поскольку реально энергию несут фотоны (ведь в обычном понимании энергия волны ‑ это энергия колеблющихся частиц среды, а среды для распространяющихся электромагнитных волн вообще не существует), то говорят, что волновые характеристики определяют вероятность нахождения фотона в той или иной области пространства, где мы их определяем.

Если ‑ вероятность обнаружения фотона, то обычно записывают:

Отсюда ‑ плотность вероятности обнаружения фотона, будет равна:

Т.е. волновые характеристики, волновые законы определяют вероятность нахождения фотона, или вероятность обнаружения фотона, прошедшему по пути, предписанному волновой теорией.

Обычно плотность потока фотонов очень велика и мы не замечаем этого вероятностного прохождения фотона.

Но это было показано экспериментально следующим образом.

Наблюдали интерференционную картину от двух когерентных источников света. Затем уменьшали интенсивность света, или плотность потока фотонов. При очень малых плотностях интерференционная картина начинала «мигать». Т.е. на экран, в область максимума, попадали то фотонов, то фотонов. фотонов глаз наблюдателя видел, а ‑ нет, так как порог зрения человека ‑ фотонов.

Но попадали фотоны именно в те места, в которые предписывали законы волновой оптики, т.е. в места максимумов. Там, где согласно волновой теории должны были быть минимумы освещенности ‑ всегда было темно. Там где области максимума, происходило мигание.

Когда на месте экрана поместили фотопластинку и произвели съемку интерференционной картины с длительной выдержкой, то фото не отличалось от фото с большими интенсивностями света.

Таким образом, мы приходим к представлениям о корпускулярно-волновом дуализме фотонов.