ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18979
Скачиваний: 11
чи робота виходу <
роботи виходу, то
ргії]
Вираз (23.13)
, Якщо енергія поглинутого кванта більша від
і роботи виходу
(ту
2
/ 2 =
к\ - А|:
п т
2
Д О ;
Робота виходу електрона з металу :
Для деяких металів її обчислено і
лі) енергія падаючих квантів (фотонів) при деякій частоті (або дов-
жині хвилі А,
к
) може дорівнювати роботі виходу, тобто
к\
к
=
А
, або
кс
/
= Л,
звідки
№ч = А + -
) И- число фотонів, які
При багатофотонному фотоефекті
(23.15)
в б і к ;
гих:
§ 225. Внутрішній фотоефект
Внутрішній фотоефект у
них носіїв струму - електронів провідності і дірок.
кількості
Тут ми зазначимо, що енергетична зона не має ніяких просторових
розмірів, а є поняттям, яке відображає той факт, що будь-який електрон
кристала може мати енергії, які лежать у певних границях. Цими границями
( верхня і нижня межі зони. У фразі "ширина забороненої зони" під словом
"ширина" треба розуміти лише те, що значення енергії електрона, який
перебуває на даному рівні, відрізняється від енергії електрона, шо перебуває
па іншому рівні, на
АЕ.
Ширина забороненої зони визначає енергію
АЕ
, яку треба додатково
надати електрону, щоб перевести його із заповненої зони в зону провідності.
І {ю енергію називають
енергією активації
і вимірюють в електрон-вольтах.
І Іапівпровідник може проводити струм, якщо електрони із заповненої зони
перейшли в зону провідності. Звідси явище внутрішнього фотоефекту часто
називають
фотопровідністю.
Найближчі до ядра електрони міцно зв'язані з ядрами і не беруть учас-
ті в провідності. Електропровідність виникає лише завдяки валентним
електронам зони провідності.
Механізм фотопровідності можна пояснити так. При освітлені поверх-
ні напівпровідника фотон, поглинутий у напівпровіднику, віддає свою
енергію валентним електронам. Якщо енергія фотона більша від ширини
забороненої зони, то електрон переходить у зону провідності і стає елект-
роном провідності, а в заповненій зоні утворюється дірка (див. § 137).
Утворена дірка може бути заповнена одним з найближчих сусідніх елект-
ронів, але тоді звільниться місце, яке щойно займав електрон, тобто ви-
никне нова дірка, і т. д. У цьому процесі електрон переміщатиметься про-
ти напряму електричного поля, а вільне місце, що заповнюється електро-
нами, - дірка - переміщується їм назустріч, у напрямі поля. В електрич-
них і магнітних полях дірка поводиться аналогічно позитивному заряду,
величина якого дорівнює заряду електрона. Отже, один поглинутий фо-
тон вивільняє пару електрон - дірка, при освітленні провідника збільшу-
сться кількість носіїв струму, збільшується струм при незмінній напрузі,
що еквівалентно зменшенню опору.
При освітленні світлом, для якого ЙУ <
АЕ
, фотоефект не виникає.
§ 226, Типи фотоелементів
Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом
У техніці великого поширення набули фотоелементи - прила-
ди, дія яких ґрунтується на використанні фотоефекту. До них належать ва-
куумні фотоелементи, які практично не мають інерційності, і газонаповнені
фотоелементи, що мають більшу інерційність, але й більшу чугливість.
541
На рис. 23.5,
а
і
б
показано
зовнішній вигляд і схему фото-
елемента, який складається із
скляної або кварцової колби,
частину внутрішньої поверхні
якої покрито шаром світлочутли-
вого металу
К.
За світлочутливий
шар, ж правило, беруть .лужні ме-
тали, що мають невелику роботу
виходу. Повітря з колби старанно
видаляють.
Усередині колби є металеве кільце (або сітка)
А. Як
від світлочутливого
шару, так і від кільця назовні зроблено виводи, за допомогою яких фото-
елемент приєднують до батареї так, щоб металевий шар був катодом, а
кільце - анодом. У коло ввімкнено також гальванометр для вимірювання
струму. Світло, надходячи на катод, вибиває з нього електрони, які летять
до анода. По колу йде фотострум, який виявляє гальванометр. Сучасні
фотоелементи реагують не тільки на видиме світло, а навіть на інфрачервоні
промені.
Чугливість вакуумних фотоелементів невелика (не перевищує кількох
десятків мікроампер на люмен), тобто струм у колі вакуумного фотоеле-
мента невеликий. Для підсилення струму (підвищення чутливості) у колбу
вводять розріджений газ. У газонаповнених фотоелементах електрони, які
вириваються світлом з катода, при достатніх напругах між катодом і анодом
набувають такої швидкості, що можуть іонізувати частинки газу, який
наповнює фотоелемент; виникає ударна іонізація. Утворені при цьому іони,
в свою чергу, починають рухатись і іонізують нейтральні частинки газу;
внаслідок цього до анода прямує лавина електронів, яка дедалі зростає,
фотострум значно збільшується, чутливість фотоелемента зростає.
Основне технічне застосування фотоелементів - у фототелеграфії (пе-
редавання зображення на відстань по проводах), у телебаченні і в звуко-
вому кіно *. Крім того, фотоелементи широко застосовують у фотореле, за
допомогою яких автоматично приводять у дію найрізноманітніші механізми.
У фотореле використано безінерційність фотоефекту, тобто здатність
фотоелемента практично миттю реагувати на світлову дію або її зміну.
Фотореле може працювати, коли на елемент потрапляє світло, або коли
освітлення фотоелемента припиняється.
* У звуковому кіно фотоелементи застосовують для відтворення звуку, записаного на кіностріч-
ці у вигляді "звукової доріжки". У телебаченні в процесі передавання зображень на відстань у пере -
давальному пристрої - іконоскопі - світлові сигнали перетворюються в електричні, дія цього по-
верхню іконоскопа покривають великою кількістю мікрофотоелементів. Світлові сигнали, перетво-
рені в електричні, передаються у вигляді електромагнітних хвиль. Ці сигнали приймає антена теле-
візора, і в електронно-променевій трубці - кінескопі - вони перетворюються у світлові.
542
Фотореле мають різне застосування. Фотореле можуть у потрібний час
ммикати і вимикати вуличні ліхтарі в містах, світло маяків і бакенів, сортувати
рі ші деталі за кольором і формою, пускати або спиняти електродвигуни,
иерстати тощо.
Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом
До них належать фотоопори І вентильні фотоелементи. Фото-
і лементи з. внутрішнім фотоефектом мають значно більшу імерційність
порівняно з фотоелементами, які грунтуються на зовнішньому фотоефекті.
Фотоопоралш
називають напівпровідникові прилади, опір яких зале-
жить від інтенсивності світла, яке падає на них. Принцип дії фотоопору
і.ікий. У затемненому напівпровіднику при деякій температурі є певна
кількість вільних електронів. Ці електрони зумовлюють звичайну (темпову)
провідність напівпровідника. Якщо до затемненого фотоопору прикласти
напругу, то виникне
темповий струм
/
т
, значення якого залежить від
прикладеної напруги, В освітленому фотоопорі в шарі напівпровідника
утворюються додаткові вільні електрони і дірки. У зв'язку з цим його
провідність збільшується, струм /
с
у колі (його називають
світлоеши)
також
збільшується. Різницю між світловим і темповим струмами називають
фотострумом: І
= /
с
- /
г
. Фотоопори широко застосовують у звуковому
к і по, телебаченні, автоматиці, телем еханіці, для сигналізації.
Іншим видом застосування внутрішнього фотоефекту в приладах є вен-
цільні фотоелементи, тобто елементи із запірним шаром. Вентильний
ефект виникає в тих напівпровідниках, в яких між металом, і напівпровід-
ником, або між напівпровідниками
р-
і и-типу поблизу поверхні контакту
і і ворюється запірний шар, який має односторонню провідність (див. гл. 12).
Внаслідок внутрішнього фотоефекту при освітленні рівноважний розподіл
носіїв струму в зоні контакту порушується, змінюється порівняно з рівно-
важною контактна різниця потенціалів, тобто виникає фотоелектрону-
шійна сила, яка пропорційна світловому пото-
ку. На рис. 23,6 подано схему такого фотоеле-
мента.
Мегалева пластинка
М,
яка є одним з електро-
/іі», і нанесений на неї тонкий шар напівпровід-
ника
Р
(селену), покритого тонкою прозорою
пін вкою золота або іншого металу, що є другим
<псктродом, з'єднані зовнішнім колом, в яке
ввімкнено гальванометр
Г.
Якщо напівпровідни-
Запірний шар
новий шар освітити через другий електрод, то в
Р
«с«
23.6
золото
543
шарі
Р
внаслідок внутрішнього фотоефекту виникають вільні електрони.
Вони рухаються хаотично, проте на межі металу з провідником через вен-
тильний ефект утворюється ЕРС, тому в металі виникає надлишок елект-
ронів, у напівпровіднику - надлишок дірок. Якщо коло при цьому замк-
нене, по ньому проходитиме струм. Отже, вентильний фотоелемент є ге-
нератором струму, який безпосередньо перетворює світлову енергію в
електричну. На такому самому принципі грунтується дія сонячних бата-
рей, які з успіхом використовують на космічних кораблях. Вентильні фо-
тоелементи мають перевагу перед вакуумними, оскільки працюють без
джерела струму.
§ 227. Тиск світла
Досліди Лебедєва
У 1901 р. П. М. Лебедєв, проводячи старанні вимірювання,
встановив,
що
світло, падаючи на яку-небудь поверхню, чинить на неї
тиск, який залежить від світлового потоку і відбивної здатності поверхні
цього
тіла.
Пристрій, за допомогою якого П. М. Лебедєв вимірював світловий
тиск, складався з легкого каркаса із закріпленими на ньому тонкими
"крильцями" - світлими і темними дисками завтовшки від 0,01 до 0,1 мм
(рис. 23.7). Диски були розміщені симетрично відносно осі підвісу, на-
вколо якої каркас міг повертатися. Світло, падаючи на "крильця", чинило
на світлі й темні диски різний тиск. Тому каркас, підвішений на тонкій
скляній нитці, зазнавав обертального моменту, який закручував нитку.
Тиск світла визначали за кутом закручування нитки.
Це явище можна пояснити як на основі хвильо-
вих уявлень про світло, так і з точки зору квантової
теорії світла.
За електромагнітною теорією світла, тиск сві-
тла пояснюється виникненням механічних сил,
які діють на електрони освітлюваного тіла
з
боку
електричного і магнітного компонентів елект-
ромагнітного поля.
Згідно з обчисленнями, виконаними за електро-
магнітною теорією світла Максвелла, тиск, який чи-
нить електромагнітна хвиля, що падає на поверхню,
становить
(23.16)
Рис. 23.7
С
544