Какой фотоэффект называют многофотонным

Какой фотоэффект называют многофотонным

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1	Рис. 2.2

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

,

(2.1.1)

т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

Однофотонный и многофотонный фотоэффект.

Рассмотренный нами внешний фотоэффект называется однофотонным, согласно которому каждый квант света поглощается только одним электроном.

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

(2.10)

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

(а, соответственно, длина волны − в раз больше).

Таким образом, многофотонный фотоэффект приводит вообще к исчезновению красной границы фотоэффекта, определяемой формулой (2.6) 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 безынерционны, однако чувствительность их весьма мала, а сила фототока невелика.

Одним из способов увеличения слабых фототоков является вторичнаяэлектронная эмиссия, используемая в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ). ФЭУ представляет собой вакуумную трубку, которая содержит 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 относительно невелик, не больше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фотоумножителя— не получение больших выходных токов, а регистрация слабых световых потоков.

7. Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость.

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. 2.3). Здесь 1 — подложка из диэлектрика, 2 — полупроводник, 3 — металлические электроды.

Фотоэффект и его виды

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

Фотоэффект:

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) – явление взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, при котором энергия фотонов передаётся электронам вещества.

На основе явления фотоэффекта созданы специальные устройства – фотоэлементы. Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) – электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Выделяют внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект, а также вентильный (барьерный) фотоэффект и многофотонный фотоэффект.

Внешний фотоэффект:

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Генрихом Рудольфом Герцем. Генрих Герц проводил опыты с цинковым разрядником – разрезанным пополам стержнем с парой металлических шариков на концах разреза. На разрядник подавалось высокое напряжение. При облучении цинкового разрядника ультрафиолетом было замечено, что прохождение искры в разряднике заметно облегчалось.

В 1888-1890 гг. Александр Григорьевич Столетов сделал несколько важных открытий в области фотоэффекта, в том числе вывел первый закон внешнего фотоэффекта.

В 1898 г. Джозеф Джон Томсон экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц – названных позднее электронами.

В 1900-1902 гг. Филипп Эдуард Антон фон Ленард доказал, что энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.

В 1905 г. внешний фотоэффект был объяснён Альбертом Эйнштейном.

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Григорьевич Столетов в конце XIX века.

Он (фотоэлемент) представлял собой вакуумную стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы была покрыта тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступал в качестве катода . Он контактировал с проводом, который соединялся с отрицательным источником тока. В середине колбы располагался электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом . Анод соединялся с положительным источником тока. Другая часть колбы была прозрачна и пропускала вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырывались электроны, которые во внешнем электрическом поле устремлялись к аноду, создавая в цепи электрический ток.

Внутренний фотоэффект:

Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним. Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

Впервые явление фотопроводимости (и соответственно явление внутреннего фотоэффекта) у селена открыл Уиллоуби Смит в 1873 г.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники обладают как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Вентильный (барьерный) фотоэффект:

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p-n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей. Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей .

Эффект прямого преобразования света в электричество впервые был открыт в 1842 г. Александром Эдмоном Беккерелем.

В 1883 г. Чарльз Фриттс впервые создал первую работающую фотоэлектрическую ячейку, используя полупроводниковый материал селен. Фритц покрыл селен очень тонким слоем золота. Полученная фотоэлектрическая ячейка имела КПД преобразования света в электричество всего около 1%, что в сочетании с высокой стоимостью материала препятствовало использованию таких ячеек для энергоснабжения.

Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в настоящее время в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов , произведенных на основе различных материалов.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые	24,7
Si (кристаллический)
Si (поликристаллический)
Si (тонкопленочная передача)
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
На основе арсенида галлия и т.п.
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие плёнки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Многофотонный фотоэффект:

Многофотонный фотоэффект – это явление, при котором изменение электропроводности, возникновение ЭДС или эмиссия электронов происходит вследствие поглощения одновременно энергии не от одного, а от нескольких фотонов. Такой эффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков).

Наиболее часто понятие многофотонный фотоэффект употребляется по отношению к внешнему фотоэффекту

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.