Фотоэффект. Внутренний фотоэффект и его особенности.

Фотоэф-т—испускание электронов вещ-м под действием электромагнитного излучен. Все тверд тела по электропровод-ти делятся на проводники, полупроводники и изоляторы. Из-за ряда уникальных свойств особый интерес представляют полупроводниковые материалы. К таким свойствам полупроводника относится уменьшение его сопротивления с увеличением температ, освещен-ти, напряжен-ти электрич-го поля. Характерно, что добавление примеси в чистый металл увеличивает его удельное сопротивлен, добавление же примеси в чистый полупроводник резко уменьшает его. К полупроводникам относятся: селен, германий, кремний, теллур, а также ряд окислов, сульфидов и карбидов. Св-ва полупроводника можно объяснить, исходя из зонной теории твердого тела. В изолированном атоме электроны могут обладать только вполне определен значен энергиями. Эти дозволенные значения энергии наз-ся энергетич-ми уровн-и. На каждом уров может находиться не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов. При образовании кристаллической решетки из отдельных атомов их энергетич уровн объединяются, образуя полосы – энергетич-е зоны, разделенные участками DЕ с недозволенными значен энерг, наз-ми запрещенными зонами. Число уровней в зоне равно числу атомов в кристалле. Так как число атомов в кристалле велико (»10²² атомов/см³), то уровни в зоне практически распределены непрерывно. Уров энергии валентн электрон образуют валентную или заполненную зону. Выше ее, за запрещенной зоной, находится зона проводимости. Она всегда свободна от электронов. Для того, чтобы электроны могли перемещаться в зоне проводимости, необходимо в нее перевести часть электронов из валентной зоны. Это достигается путем сообщения им добавочной энергии DЕ ¢, не меньшей ширины запрещенной зоны DЕ. Если ширина запрещенной зоны DЕ не очень велика, то дополнительная энергия может быть сообщена за счет световой энергии. При поглощении световой энергии некоторые электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости и под действием электрического поля начинают в ней перемещаться, обусловливая возникновение электрического тока. В валентной же зоне на уровнях образуются свободные места, называемые дырками. Дырки быстро заполняются электронами из соседних уров. На освободившиеся места приходят электроны из более низких уров и т.д. В результате наблюдается перемещение дырок, которое эквивалентно движению положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Направление движения дырок совпадает с направлением движения внешнего поля. Т о, при сообщении добавочной энергии DЕ становится возможным перемещение электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов в зоне проводимости, называется “электронной проводимостью”. Дырочн провод-сть обусловлена движением дырок в валентной зоне. В чистом полупроводнике одновременно сущ-ют электрон и дырочн проводимость. Их наз-т собственной проводимостью полупроводников. При введении в кристаллическую решетку полупроводника атомов образуются дополнительные энергетические уровни, что ведет к изменению его электропроводности. Если заполненные электронами примеси располагаются вблизи зоны проводимости, то из них электроны легко могут переходить в зону проводимости, обусловливая электронную или так называемую “n” – проводимость полупроводника. Такой полупроводник получил название полупроводника n – типа, а дополнительные уровни – донорных уровней (рис. 19.2а). Если же незаполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи валентной зоны, то электроны из валентной зоны легко переходят на эти уровни. В валентной зоне образуются дырки, которые обусловливают дырочную или проводимость р – типа. Такой примесный полупроводник называют полупроводником р – типа, а дополнительные уровни примеси – акцепторными уровнями. При соединении двух полупроводников с n и р – проводимостью в месте контакта образуется тонкий запирающий слой толщиной 10^–3 – 10^–5 см. Этот слой обладает односторонней проводимостью. При отсутствии внешнего электрического поля он свободно пропускает электроны из р – полупроводника в n – полупроводник. Дырки беспрепятственно проходят в обратном направлении. Следовательно, в отсутствие внешнего электрического поля ток через контактную область создается только неосновными носителями, поэтому сила тока очень мала. При наличии внешнего поля сила тока очень сильно зависит от направления этого поля, то есть p-n переход обладает односторонней проводимостью. При освещении места контакта светом сопротивление его уменьшается и электропроводность полупроводника увеличивается. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта. В области контакта возрастает число свободных носителей тока. Это вызывает нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и возникновение фото-ЭДС. Фото-ЭДС поддерживается действием света. Следовательно, создается элемент, способный служить источником тока. На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений, фотодиодов, полупроводниковых фотоэлементов, фототранзисторов. Фотосопротивления, в отличие от газонаполненных фотоэлементов, не имеют тока насыщения. Для них величина фототока пропорциональна приложенному напряжению. Так как электроны, освобождённые светом, находятся в свободном состоянии, то фотосопротивления обладают инерционностью. Основные характеристики фотосопротивления – световая и спектральная характеристики, а так же его удельная интегральная чувствительность. Под световой хар-ой фотосопротивлен понимают зависимость величины его сопротивления от падающего светового потока, т.е. R_ф =¦(Ф). Спектральной характеристикой фотосопротивления называют зависимость его сопротивления от длины волны (частоты) падающего света R_ф=¦(l). Аналогичными характеристиками обладает и полупроводниковый фотоэлемент. Удельной интегральной чувствительностью g₀ фотосопротивления называется физическая величина, численно равная отношению величины фототока i, даваемого сопротивлением, к величине падающего на него светового потока Ф при напряжении U₀, приложенного к сопротивлению (19.1),где i – сила фототока в цепи; Ф – величина светового потока; U₀ – приложенное напряжение. Учитывая, что , (19.2), для g₀ получим (19.3), где r – расстояние от источника света до фотоэлемента; I – сила света источника; S – рабочая площадь светочувствительного слоя фотоэлемента. Основной характеристикой полупроводникового фотоэлемента, наряду с вышеперечисленными, является также его интегральная чувствительность. Под интегральной чувствительностью полупроводникового фотоэлемента понимают отношение силы фототока к величине падающего светового потока, т.е. (19.4), где i¢ = i - i₀, i – фототок, вызванный данным элементом, i₀ – темновой ток, т.е. ток, показываемый амперметром при выключенном источнике света. Учитывая формулу (19.2), для g имеем: (19.5), где r – расстояние от источника света до фотоэлемента; S – площадь светочувствительного слоя фотоэлемента; I – сила света источника.

З-ны Фотоэффект

Основные закономерности фотоэффекта были впервые исследованы русским физиком А.Г.Столетовым в 1888-90 годах. На основании обобщения опытных данных установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта: 1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку. 2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности. 3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины , называемой "красной границей" фотоэффекта.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: