efekt fotoelektrik

- emetimi i elektroneve nga trupat nën veprimin e dritës, i cili u zbulua në 1887 nga Herzen. Në 1888, Galvaks tregoi se kur një pllakë metalike neutrale elektrike rrezatohet me dritë ultravjollcë, kjo e fundit fiton një ngarkesë pozitive. Në të njëjtin vit, Stoletev krijoi fotocelën e parë dhe e vuri në praktikë, më pas vendosi proporcionalitetin e drejtpërdrejtë të forcës së fotorrymës me intensitetin e dritës së rënë. Në 1899, J. J. Thompson dhe F. Lenard vërtetuan se gjatë efektit fotoelektrik, drita rrëzon elektronet nga materia.

Formulimi i ligjit të parë të efektit fotoelektrik: numri i elektroneve të nxjerra nga drita nga sipërfaqja e një metali në 1 s është drejtpërdrejt proporcional me intensitetin e dritës.

Sipas Ligji i dytë i efektit fotoelektrik, energjia maksimale kinetike e elektroneve të nxjerra nga drita do të rritet në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

Ligji i tretë i efektit fotoelektrik: për çdo substancë ekziston një kufi i kuq i efektit fotoelektrik, pra frekuenca minimale e dritësv0 (ose gjatësia maksimale e valësy0 ), në të cilën efekti fotoelektrik është ende i mundur, dhe nësevv0 , atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh më.

Ligji i parë shpjegohet nga këndvështrimi i teorisë elektromagnetike të dritës: sa më i madh të jetë intensiteti i valës së dritës, aq më i madh numri i elektroneve do të transferohet energji e mjaftueshme për të ikur nga metali. Ligjet e tjera të efektit fotoelektrik kundërshtojnë këtë teori.

Shpjegimi teorik i këtyre ligjeve u dha në vitin 1905 nga Ajnshtajni. Sipas tij, rrezatimi elektromagnetik është një rrymë kuantesh individuale (fotone) me energji hv secila (h-konstanta e Plankut). Me efektin fotoelektrik, një pjesë e rrezatimit elektromagnetik të rënë reflektohet nga sipërfaqja metalike, dhe një pjesë depërton në shtresën sipërfaqësore të metalit dhe përthithet atje. Pasi ka thithur një foton, elektroni merr energji prej tij dhe, duke kryer funksionin e punës, largohet nga metali:

Hv=A+mv 2/2 , ku

mv 2 është energjia kinetike maksimale që një elektron mund të ketë kur largohet nga metali. Mund të përcaktohet:

U 3 - tension i vonesës.

Në teorinë e Ajnshtajnit, ligjet e efektit fotoelektrik shpjegohen si më poshtë:

1. Intensiteti i dritës është proporcional me numrin e fotoneve në rrezen e dritës dhe për këtë arsye përcakton numrin e elektroneve të nxjerra nga metali.

2. Ligji i dytë rrjedh nga ekuacioni: mv 2 /2=hv-A.

3. Nga i njëjti ekuacion del se efekti fotoelektrik është i mundur vetëm kur energjia e fotonit të përthithur tejkalon funksionin e punës së elektronit nga metali. Kjo do të thotë, frekuenca e dritës në këtë rast duhet të kalojë disa specifike për secilën vlera e substancës, e barabartë me A>h. Kjo frekuencë minimale përcakton kufirin e kuq të efektit fotoelektrik:

vo=A/h yo=c/vo=ch/A.

4. Në një frekuencë më të ulët të dritës, energjia e fotonit nuk është e mjaftueshme që elektroni të përfundojë funksioni i punës prandaj nuk ka efekt fotoelektrik.

Teoria kuantike e Ajnshtajnit bëri të mundur shpjegimin e një modeli tjetër të krijuar nga Stoletev. Në 1888, Stoletov vuri re se fotorryma u shfaq pothuajse në të njëjtën kohë me ndriçimin e katodës së fotocelës. Sipas teorisë klasike të valës, një elektron në fushën e një valë elektromagnetike të lehtë ka nevojë për kohë për të grumbulluar energjinë e nevojshme për fluturimin, dhe për këtë arsye efekti fotoelektrik duhet të ndodhë me një vonesë prej të paktën disa sekondash. Sipas teorisë kuantike, kur një foton absorbohet nga një elektron, atëherë e gjithë energjia e fotonit kalon tek elektroni dhe nuk kërkohet kohë për të grumbulluar energji.

Me shpikjen e lazerëve, u bë i mundur eksperimentimi me rreze shumë intensive drite. Duke përdorur impulse ultra të shkurtra të rrezatimit lazer, ishte e mundur të vëzhgoheshin proceset multifotone, kur një elektron, para se të dilte nga katoda, pësoi një përplasje jo me një, por me disa fotone. Në këtë rast shkruhet ekuacioni i efektit fotoelektrik: Nhv=A+mv 2 /2, që i përgjigjet kufirit të kuq.

Efekti fotoelektrik përdoret gjerësisht në teknologji. Funksionimi i fotocelave bazohet në fenomenin e efektit fotoelektrik. Kombinimi i fotocelës me një stafetë bën të mundur projektimin e një sërë makinerish "duke parë" që ndezin dhe fikin me kohë fenerët dhe ndriçimin e rrugëve, hapin automatikisht dyert, renditin pjesët, ndalojnë një shtypje të fuqishme kur dora e një personi është në zone e rrezikshme. Me ndihmën e fotocelave, tingulli i regjistruar në film riprodhohet.

Abstrakte të ngjashme:

1. Ligjet e Njutonit. Ligji i ruajtjes së momentit. Ligji i parë i Njutonit. Çdo trup vazhdon të qëndrojë në gjendjen e tij të prehjes ose në lëvizjen e njëtrajtshme drejtvizore derisa forcat e aplikuara ta detyrojnë atë të ndryshojë këtë gjendje. Vetë dukuria e mbajtjes konstante të shpejtësisë quhet inerci.

Përcaktimi i intensitetit të ndriçimit të një emetuesi kosinus, shkëlqimi dhe shkëlqimi i tij. Llogaritja e dendësisë spektrale të ndriçimit të energjisë për një gjatësi vale të caktuar. Metoda për llogaritjen e konstantës së Planck-ut. Llogaritja e periudhës së rrotullimit të një elektroni në një atom sipas teorisë së Bohr.

e përafërt biletat e provimit në biletën e fizikës numër 1 Lëvizja mekanike. Relativiteti i lëvizjes. Sistemi i referencës. Pika materiale. Trajektorja. Rruga dhe lëvizja. Shpejtësia e menjëhershme. Nxitimi. Lëvizje uniforme dhe e përshpejtuar në mënyrë uniforme.

Baza teorike pajisje optoelektronike. Veprimi kimik i dritës. Efektet fotoelektrike, magneto-optike, elektro-optike të dritës dhe aplikimi i tyre. Efekti Compton. Efekti Raman. Presion i lehtë. Veprimet kimike të dritës dhe natyra e saj.

Koncepti i efektit fotoelektrik, thelbi dhe veçoritë e tij, historia e zbulimit dhe studimit, njohuritë moderne. Ligjet e Stoletov, rëndësia e tyre në zbulimin e vetive të këtij fenomeni. Shpjegimi i ligjeve të efektit fotoelektrik duke përdorur teorinë kuantike të dritës, ekuacioni i Ajnshtajnit.

Emri i diapazonit Gjatësia e valës (m) Frekuenca (Hz) Treguesi i burimit Vetitë kryesore Efekti i aplikimit tek njerëzit 1. Radiovalët 3×10 Rrymat alternative në përcjellësit dhe rrymat elektronike, gjeneratori i radiofrekuencave (Dielli, yjet, galaktikat, metagalaktikat ...

efekt i jashtëm fotoelektrik. Në të kaluarën e afërt, fizikani rus Stoletov Alexander Grigorievich hasi në një fenomen misterioz - efektin e jashtëm fotoelektrik. Përmes eksperimenteve të përsëritura, ai zbuloi se pllakë metalike, ose më mirë, sipërfaqja e saj lëshon elektrone nën ndikimin e një ultra elektromagnetike ...

karakteristikat e përgjithshme efekti i brendshëm fotoelektrik, veçoritë e tij, historia e zbulimit dhe studimit. Përdorimi i këtij efekti për të matur transduktorët fotoelektrikë, sensorët e pozicionit, matjen e pozicionit dydimensional dhe sensorët e vrazhdësisë.

Përcaktimi i gjatësisë së valës në të cilën bie emetimi maksimal, përcaktimi i densitetit spektral të ndriçimit të energjisë. Llogaritja sipas teorisë së Bohr-it të periudhës së rrotullimit të një elektroni në një atom hidrogjeni, i cili është në gjendje të ngacmuar.

Zbulimi i fenomenit të efektit fotoelektrik nuk përshtatej në kuadrin e fizikës klasike. Kjo çoi në krijimin Mekanika kuantike. Efekti fotoelektrik dhe natyra diskrete e dritës. Difraksioni i elektronit. Zbatimi i dukurisë së dualizmit korpuskulo-valor.

Pyetje për provimin në fizikë Rryma elektrike në elektrolite. Ligjet e elektrolizës. Përçueshmëria elektrike e gazeve. Shkarkimet e gazit të vetë-qëndrueshme dhe jo të qëndrueshme.

Hyrje Dy teori të dritës u parashtruan pothuajse njëkohësisht: teoria korpuskulare e Njutonit dhe teoria e valës së Huygens. Sipas teorisë korpuskulare, ose teorisë së rrjedhjes, të paraqitur nga Njutoni në fund të shekullit të 17-të, trupat ndriçues lëshojnë grimca të vogla (korpuskula) që fluturojnë në një vijë të drejtë ...

Prezantimi

1. Historia e zbulimit të efektit fotoelektrik

2. Ligjet e Stoletov

3. Ekuacioni i Ajnshtajnit

4. Efekti i brendshëm fotoelektrik

5. Zbatimi i dukurisë së efektit fotoelektrik

Bibliografi

Prezantimi

Fenomene të shumta optike janë shpjeguar vazhdimisht në bazë të ideve për natyrën valore të dritës. Megjithatë, në fundi i XIX- fillimi i shekullit XX. U zbuluan dhe u studiuan fenomene të tilla si efekti fotoelektrik, rrezet X, efekti Compton, rrezatimi i atomeve dhe molekulave, rrezatimi termik dhe të tjera, shpjegimi i të cilave nga pikëpamja valore rezultoi i pamundur. Një shpjegim i fakteve të reja eksperimentale u mor në bazë të ideve korpuskulare rreth natyrës së dritës. Është krijuar një situatë paradoksale e lidhur me përdorimin e krejtësisht të kundërt modelet fizike valët dhe grimcat për të shpjeguar dukuritë optike. Në disa dukuri, drita u shfaq vetitë e valës, në të tjera - korpuskulare.

Ndër dukuritë e ndryshme në të cilat manifestohet efekti i dritës në materie, një vend të rëndësishëm zë efekt fotoelektrik, pra emetimi i elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës. Analiza e këtij fenomeni çoi në idenë e kuanteve të dritës dhe luajti një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në zhvillimin e koncepteve teorike moderne. Në të njëjtën kohë, efekti fotoelektrik përdoret në fotocelat, të cilat kanë marrë aplikim jashtëzakonisht të gjerë në fushat më të ndryshme të shkencës dhe teknologjisë dhe premtojnë perspektiva edhe më të pasura.

1. Historia e zbulimit të efektit fotoelektrik

Zbulimi i efektit fotoelektrik duhet t'i atribuohet vitit 1887, kur Hertz zbuloi se ndriçimi i elektrodave me një hendek shkëndijë nën tension me dritën ultravjollcë lehtëson shkëndijën midis tyre.

Fenomeni i zbuluar nga Hertz mund të vërehet në eksperimentin e mëposhtëm lehtësisht të realizueshëm (Fig. 1).

Vlera e hendekut të shkëndijës F zgjidhet në atë mënyrë që në një qark të përbërë nga një transformator T dhe një kondensator C, shkëndija kërcehet me vështirësi (një ose dy herë në minutë). Nëse elektrodat F, të bëra nga zink i pastër, ndriçohen me dritën e një llambë merkuri Hg, atëherë shkarkimi i kondensatorit lehtësohet shumë: një shkëndijë fillon të kërcejë. 1. Skema e eksperimentit të Hercit.

Efekti fotoelektrik u shpjegua në 1905 nga Albert Einstein (për të cilin ai mori Çmimi Nobël) bazuar në hipotezën e Max Planck-ut për natyrën kuantike të dritës. Puna e Ajnshtajnit përmbante një të rëndësishme hipoteza e re- nëse Planck sugjeroi që drita emetohet vetëm në pjesë të kuantizuara, atëherë Ajnshtajni tashmë besonte se drita ekziston vetëm në formën e pjesëve kuantike. Nga koncepti i dritës si grimca (fotone), formula e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik rrjedh menjëherë:

ku - energjia kinetike e elektronit të emetuar, është funksioni i punës për substancën e dhënë, është frekuenca e dritës rënëse, është konstanta e Plankut, e cila doli të ishte saktësisht e njëjtë me formulën e Plankut për rrezatimin e trupit të zi.

Nga kjo formulë rrjedh ekzistenca e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik. Kështu, studimet e efektit fotoelektrik ishin ndër studimet më të hershme mekanike kuantike.

2. Ligjet e Stoletov

Për herë të parë (1888-1890), duke analizuar në detaje fenomenin e efektit fotoelektrik, fizikani rus A.G. Stoletov mori rezultate thelbësisht të rëndësishme. Ndryshe nga studiuesit e mëparshëm, ai mori një ndryshim të vogël potencial midis elektrodave. Skema e eksperimentit të Stoletov është paraqitur në fig. 2.

Dy elektroda (njëra në formën e një rrjeti, tjetra e sheshtë), të vendosura në vakum, janë ngjitur në bateri. Ampermetri i përfshirë në qark përdoret për të matur forcën e rrymës që rezulton. Duke rrezatuar katodën me dritë gjatësi të ndryshme valët, Stoletov arriti në përfundimin se rrezet ultravjollcë kanë efektin më efektiv. Për më tepër, u zbulua se forca e rrymës së krijuar nga veprimi i dritës është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e saj.

Në 1898, Lenard dhe Thomson, duke përdorur metodën e devijimit të ngarkesës në elektrike dhe fusha magnetike përcaktoi ngarkesën specifike të grimcave të ngarkuara të nxjerra 2. Skema e eksperimentit të Stoletovit.

dritë nga katoda dhe mori shprehjen

Njësia SGSE s/g, që përkon me ngarkesën specifike të njohur të elektronit. Nga kjo rrjedh se nën veprimin e dritës, elektronet nxirren nga materiali i katodës.

Duke përmbledhur rezultatet e marra, si më poshtë modele Efekti fotoelektrik:

1. Me një përbërje konstante spektrale të dritës, forca e fotorrymës së ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me fluksin e dritës që ka rënë në katodë.

2. Energjia kinetike fillestare e elektroneve të nxjerra nga drita rritet në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

3. Efekti fotoelektrik nuk ndodh nëse frekuenca e dritës është më e vogël se një vlerë e caktuar karakteristike e secilit metal, e quajtur kufiri i kuq.

Modeli i parë i efektit fotoelektrik, si dhe shfaqja e vetë efektit fotoelektrik, mund të shpjegohet lehtësisht bazuar në ligjet e fizikës klasike. Në të vërtetë, fusha e dritës, duke vepruar në elektronet brenda metalit, ngacmon lëkundjet e tyre. Amplituda e lëkundjeve të detyruara mund të arrijë një vlerë të tillë në të cilën elektronet largohen nga metali; atëherë vërehet efekti fotoelektrik.

Duke pasur parasysh faktin se, sipas teorisë klasike, intensiteti i dritës është drejtpërdrejt proporcional me katrorin vektor elektrik, numri i elektroneve të nxjerra rritet me rritjen e intensitetit të dritës.

Ligjet e dytë dhe të tretë të efektit fotoelektrik nuk shpjegohen nga ligjet e fizikës klasike.

Studimi i varësisë së fotorrymës (Fig. 3), e cila ndodh kur një metal rrezatohet me një rrymë drite monokromatike, nga ndryshimi i potencialit midis elektrodave (një varësi e tillë zakonisht quhet karakteristikë volt-amper e fotorrymës), u konstatua se: 1) fotorryma ndodh jo vetëm në , por edhe në ; 2) fotorryma është e ndryshme nga zero në një vlerë negative të diferencës së potencialit të përcaktuar rreptësisht për një metal të caktuar, i ashtuquajturi potencial vonues; 3) madhësia e potencialit bllokues (vonesës) nuk varet nga intensiteti i dritës rënëse; 4) fotorryma rritet me zvogëlimin e vlerës absolute të potencialit vonues; 5) vlera e fotorrymës rritet me rritjen dhe nga një vlerë e caktuar fotorryma (e ashtuquajtura rryma e ngopjes) bëhet konstante; 6) vlera e rrymës së ngopjes rritet me rritjen e intensitetit të dritës rënëse; 7) vlera e vonesës 3. Veçori

potenciali varet nga frekuenca e dritës rënëse; fotorrymë.

8) shpejtësia e elektroneve të nxjerra nën veprimin e dritës nuk varet nga intensiteti i dritës, por varet vetëm nga frekuenca e saj.

3. ekuacioni i Ajnshtajnit

Fenomeni i efektit fotoelektrik dhe të gjitha ligjet e tij shpjegohen mirë duke përdorur teorinë kuantike të dritës, e cila konfirmon natyra kuantike Sveta.

Siç u përmend tashmë, Ajnshtajni (1905), duke zhvilluar teorinë kuantike të Planck-ut, parashtroi idenë se jo vetëm rrezatimi dhe thithja, por edhe përhapja e dritës ndodh në pjesë (kuanta), energjia dhe momenti i të cilave janë:

ku është vektori njësi i drejtuar përgjatë vektorit të valës. Duke zbatuar ligjin e ruajtjes së energjisë në fenomenin e efektit fotoelektrik në metale, Ajnshtajni propozoi formulën e mëposhtme:

, (1)

ku është funksioni i punës së një elektroni nga një metal, është shpejtësia e një fotoelektroni. Sipas Ajnshtajnit, çdo kuant përthithet nga vetëm një elektron, dhe një pjesë e energjisë së fotonit të rënë shpenzohet për kryerjen e funksionit të punës së elektronit metalik, ndërsa pjesa e mbetur i jep elektronit energji kinetike.

Siç vijon nga (1), efekti fotoelektrik në metale mund të ndodhë vetëm në , përndryshe energjia e fotonit do të jetë e pamjaftueshme për të nxjerrë një elektron nga metali. Frekuenca më e ulët e dritës, nën ndikimin e së cilës ndodh efekti fotoelektrik, përcaktohet qartë nga gjendja

Frekuenca e dritës e përcaktuar nga kushti (2) quhet "kufiri i kuq" i efektit fotoelektrik. Fjala "e kuqe" nuk ka të bëjë fare me ngjyrën e dritës në të cilën ndodh efekti fotoelektrik. Në varësi të llojit të metalit, "kufiri i kuq" i efektit fotoelektrik mund të korrespondojë me dritën e kuqe, të verdhë, vjollcë, ultravjollcë, etj.

Me ndihmën e formulës së Ajnshtajnit mund të shpjegohen edhe rregullsi të tjera të efektit fotoelektrik.

Le të supozojmë se, d.m.th., ekziston një potencial vonues midis anodës dhe katodës. Nëse energjia kinetike e elektroneve është e mjaftueshme, atëherë ata, pasi kanë kapërcyer fushën e ngadalësimit, krijojnë një fotorrymë. Fotorryma përfshin ato elektrone për të cilat kushti është i kënaqur . Vlera e potencialit të vonesës përcaktohet nga gjendja

, (3)

ku është shpejtësia maksimale e elektroneve të nxjerra. Oriz. katër.

Duke zëvendësuar (3) në (1), marrim

Kështu, madhësia e potencialit të vonesës nuk varet nga intensiteti, por varet vetëm nga frekuenca e dritës rënëse.

Funksioni i punës së elektroneve nga një metal dhe konstanta e Planck-ut mund të përcaktohet duke vizatuar varësinë nga frekuenca e dritës rënëse (Fig. 4). Siç mund ta shihni, segmenti i shkëputur nga boshti potencial jep .

Duke pasur parasysh faktin se intensiteti i dritës është drejtpërdrejt proporcional me numrin e fotoneve, një rritje në intensitetin e dritës rënëse çon në një rritje të numrit të elektroneve të nxjerra, d.m.th., në një rritje të rrymës foto.

Formula e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik në jometalet ka formën

.

Prania - puna e ndarjes së një elektroni të lidhur nga një atom brenda jometaleve - shpjegohet me faktin se, ndryshe nga metalet, ku ka elektrone të lira, në jometalet, elektronet janë në një gjendje të lidhur me atomet. Natyrisht, kur drita bie mbi jometalet, një pjesë e energjisë së dritës shpenzohet në efektin fotoelektrik në atom - në ndarjen e elektronit nga atomi, dhe pjesa tjetër shpenzohet në funksionin e punës së elektronit dhe dhënien e kinetikës. energjinë e elektronit.

Elektronet e përcjelljes nuk largohen spontanisht nga metali në një sasi të dukshme. Kjo shpjegohet me faktin se metali përfaqëson një pus potencial për ta. Është e mundur të lihet metali vetëm për ato elektrone, energjia e të cilëve është e mjaftueshme për të kapërcyer pengesën potenciale që ekziston në sipërfaqe. Forcat që shkaktojnë këtë pengesë kanë origjinën e mëposhtme. Heqja e rastësishme e një elektroni nga shtresa e jashtme jone pozitive grilë çon në shfaqjen në vendin që elektroni la, tepricë ngarkesë pozitive. Ndërveprimi i Kulombit me këtë ngarkesë bën që elektroni, shpejtësia e të cilit nuk është shumë e lartë, të kthehet prapa. Kështu, elektronet individuale largohen nga sipërfaqja metalike gjatë gjithë kohës, largohen prej saj me disa distanca ndëratomike dhe më pas kthehen prapa. Si rezultat, metali është i rrethuar nga një re e hollë elektronesh. Kjo re së bashku me shtresën e jashtme të joneve formon një shtresë elektrike të dyfishtë (Fig. 5; rrathë - jone, pika të zeza - elektrone). Forcat që veprojnë në një elektron në një shtresë të tillë drejtohen brenda metalit. Puna e bërë kundër këtyre forcave gjatë transferimit të një elektroni nga metali në pjesën e jashtme shkon në rritjen e energjisë potenciale të elektronit (Fig. 5).

Në këtë mënyrë, energji potenciale elektronet e valencës brenda metalit është më pak se jashtë metalit me një vlerë të barabartë me thellësinë e pusit potencial (Fig. 6). Ndryshimi i energjisë ndodh në një gjatësi të rendit të disa distancave ndëratomike; prandaj, muret e pusit mund të konsiderohen vertikale.

Energjia potenciale e një elektroni Fig. 6.

dhe potenciali i pikës ku ndodhet elektroni kanë shenja të kundërta. Nga kjo rezulton se potenciali brenda metalit është më i madh se potenciali në afërsi të sipërfaqes së tij nga .

Dhënia e ngarkesës së tepërt pozitive në metal rrit potencialin si në sipërfaqe ashtu edhe brenda metalit. Energjia potenciale e një elektroni zvogëlohet në përputhje me rrethanat (Fig. 7, a).

a) b)

Vlerat e energjisë potenciale dhe potenciale në pafundësi merren si pikë referimi. Futja e një ngarkese negative ul potencialin brenda dhe jashtë metalit. Prandaj, energjia potenciale e elektronit rritet (Fig. 7, b).

Energjia totale e një elektroni në një metal është shuma e energjisë potenciale dhe kinetike. Në zero absolute vlerat e energjisë kinetike të elektroneve të përcjelljes variojnë nga zero në energjinë që përkon me nivelin e Fermit. Në fig. tetë nivelet e energjisë Shiritat e përcjelljes janë të gdhendura në pusin e mundshëm (vijat me pika tregojnë nivele të pa zëna në 0K). Për të lëvizur nga metali, elektroneve të ndryshme duhet t'u jepen energji të ndryshme. Pra, një elektroni që ndodhet në nivelin më të ulët të brezit të përcjelljes duhet t'i jepet energji; për një elektron në nivelin Fermi, energjia është e mjaftueshme .

Energjia më e vogël që duhet t'i jepet një elektroni për ta hequr atë nga një trup i ngurtë ose trup i lëngshëm në vakum quhet puna e daljes. Funksioni i punës së një elektroni nga një metal përcaktohet nga shprehja

Këtë shprehje e kemi marrë me supozimin se temperatura e metalit është 0K. Në temperatura të tjera, funksioni i punës përcaktohet gjithashtu si diferenca midis thellësisë së pusit potencial dhe nivelit Fermi, d.m.th., përkufizimi (4) shtrihet në çdo temperaturë. I njëjti përkufizim vlen edhe për gjysmëpërçuesit.

Niveli i Fermit varet nga temperatura. Për më tepër, për shkak të ndryshimit të distancave mesatare midis atomeve për shkak të zgjerimit termik, thellësia e pusit potencial ndryshon pak. Kjo rezulton që funksioni i punës të jetë pak i varur nga temperatura.

Funksioni i punës është shumë i ndjeshëm ndaj gjendjes së sipërfaqes së metalit, veçanërisht ndaj pastërtisë së saj. Duke zgjedhur si duhet Fig. tetë.

Veshje sipërfaqësore, funksioni i punës mund të reduktohet shumë. Kështu, për shembull, depozitimi i një shtrese oksidi të një metali alkaline tokësor (Ca, Sr, Ba) në sipërfaqen e tungstenit zvogëlon funksionin e punës nga 4.5 eV (për W të pastër) në 1.5 - 2 eV.

4. Efekti i brendshëm fotoelektrik

Më lart, folëm për lëshimin e elektroneve nga sipërfaqja e ndriçuar e një substance dhe kalimin e tyre në një medium tjetër, në veçanti, në vakum. Ky emetim i elektroneve quhet emetimi fotoelektronik, por vetë fenomeni efekt i jashtëm fotoelektrik. Së bashku me të njihet dhe përdoret gjerësisht edhe për qëllime praktike, të ashtuquajturat efekti i brendshëm fotoelektrik, në të cilin, ndryshe nga ai i jashtëm, elektronet e ngacmuara optikisht mbeten brenda trupit të ndriçuar pa cenuar neutralitetin e këtij të fundit. Në këtë rast, përqendrimi i transportuesve të ngarkesës ose lëvizshmëria e tyre ndryshon në substancë, gjë që çon në një ndryshim vetitë elektrike lënda nën ndikimin e dritës që bie mbi të. Efekti i brendshëm fotoelektrik është i natyrshëm vetëm në gjysmëpërçuesit dhe dielektrikët. Mund të zbulohet, në veçanti, nga ndryshimi i përçueshmërisë së gjysmëpërçuesve homogjenë kur ndriçohen. Bazuar në këtë fenomen, fotopërçueshmëri një grup i madh marrësish të dritës është krijuar dhe po përmirësohet vazhdimisht - fotorezistorë. Ata përdorin kryesisht selenide dhe sulfur kadmiumi.

Në gjysmëpërçuesit johomogjenë, së bashku me një ndryshim në përçueshmëri, vërehet edhe formimi i një ndryshimi potencial (foto - emf). Ky fenomen (efekti fotovoltaik) është për faktin se, për shkak të homogjenitetit të përçueshmërisë së gjysmëpërçuesve, ka një ndarje hapësinore brenda vëllimit të përcjellësit të elektroneve të ngacmuara optikisht që bartin. ngarkesë negative dhe mikrozonat (vrimat) që shfaqen në afërsi të atomeve nga të cilat janë shkëputur elektronet, dhe, si grimcat, mbajnë një pozitiv ngarkesë elementare. Elektronet dhe vrimat janë të përqendruara në skaje të ndryshme të gjysmëpërçuesit, si rezultat i të cilave forca elektromotore, falë të cilit prodhohet pa aplikimin e një emf të jashtëm. elektricitet në një ngarkesë të lidhur paralelisht me një gjysmëpërçues të ndriçuar. Në këtë mënyrë arrihet një shndërrim i drejtpërdrejtë i energjisë së dritës në energji elektrike. Është për këtë arsye që marrësit e dritës fotovoltaike përdoren jo vetëm për regjistrimin e sinjaleve të dritës, por edhe në qarqet elektrike si burime të energjisë elektrike.

Llojet kryesore industriale të marrësve të tillë funksionojnë në bazë të selenit dhe sulfurit të argjendit. Siliconi, germanium dhe një numër i komponimeve - GaAs, InSb, CdTe dhe të tjerët janë gjithashtu shumë të zakonshëm. Qelizat fotovoltaike, të përdorura për të kthyer energjinë diellore në energji elektrike, janë bërë veçanërisht të përhapura në hulumtimi i hapësirës si burime energjie në bord. Ata kanë një normë relativisht të lartë veprim i dobishëm(deri në 20%), shumë i përshtatshëm në fluturim autonom anije kozmike. Në qelizat diellore moderne, në varësi të materialit gjysmëpërçues, foto - emf. arrin 1 - 2 V, heqja e rrymës nga - disa dhjetëra miliamp, dhe për 1 kg masë, fuqia dalëse arrin qindra vat.

5. Zbatimi i dukurisë së efektit fotoelektrik

Aktualisht, në bazë të efektit fotoelektrik të jashtëm dhe të brendshëm, po ndërtohen marrës të panumërt të rrezatimit që shndërrojnë sinjalin e dritës në elektrik dhe të kombinuar. emer i perbashket – fotocelat. Ato përdoren gjerësisht në inxhinieri dhe kërkimin shkencor. Një shumëllojshmëri e matjeve objektive optike janë të paimagjinueshme në kohën tonë pa përdorimin e një ose një lloji tjetër fotocelash. Fotometria moderne, spektrometria dhe spektrofotometria në gamën më të gjerë të spektrit, analiza spektrale e materies, matja objektive e flukseve shumë të dobëta të dritës të vëzhguara, për shembull, në studimin e spektrit Raman duke u shpërndarë drita, në astrofizikë, biologji etj është e vështirë të imagjinohet pa përdorimin e fotocelave; Regjistrimi i spektrave infra të kuqe shpesh kryhet nga fotoqeliza speciale për rajonin me gjatësi vale të gjatë të spektrit. Fotocelat përdoren jashtëzakonisht gjerësisht në teknologji: kontrolli dhe menaxhimi i proceseve të prodhimit, sistemet e ndryshme të komunikimit nga transmetimi i imazhit dhe televizioni deri te komunikimi optik në lazer dhe teknologjia hapësinore përfaqësojnë një listë larg nga e plotë e çështjeve teknike më të ndryshme në industrinë dhe komunikimet moderne.

Historia e krijimit të fotocelave ka më shumë se 130 vjet. Qeliza e parë fotoelektrike e bazuar në efektin e brendshëm fotoelektrik dhe duke përdorur fenomenin e fotopërçueshmërisë u ndërtua në 1875, e para. fotocelë me vakum, bazuar në efektin e jashtëm fotoelektrik, u ndërtua në 1889. prodhimit industrial fotocelat me vakum në Rusi u organizuan nga P.V. Timofeev në vitin 1930. Është interesante të theksohet se fotocelat që përdorin efektin fotoelektrik të jashtëm u zhvilluan gjerësisht më herët, megjithëse efekti i brendshëm fotoelektrik u zbulua të paktën 50 vjet më parë. Vetëm në të dyzetat e shekullit tonë, falë zhvillimit të shpejtë të fizikës gjysmëpërçuese dhe një studimi të hollësishëm të efektit të brendshëm fotoelektrik, filloi krijimi i fotocelave të reja të bazuara në materiale gjysmëpërçuese.

Shumëllojshmëria e madhe e detyrave të zgjidhura me ndihmën e fotocelave ka krijuar një shumëllojshmëri jashtëzakonisht të gjerë të llojeve të fotocelave me karakteristika të ndryshme teknike. Zgjedhja e llojit optimal të fotocelave për zgjidhjen e secilës detyrë specifike bazohet në njohjen e këtyre karakteristikave. Për fotocelat me efekt fotoelektrik të jashtëm (fotocelat vakum), kërkohet njohja e karakteristikave të mëposhtme: rajoni i punës i spektrit; karakteristika relative e ndjeshmërisë spektrale (ajo është ndërtuar si një varësi nga gjatësia e valës së dritës rënëse të një vlere pa dimension të raportit të ndjeshmërisë spektrale nën ndriçimin monokromatik ndaj ndjeshmërisë në maksimum të kësaj karakteristike); ndjeshmëria integrale (përcaktohet kur fotocela ndriçohet me një burim standard drite); vlera e rendimentit kuantik (raporti në përqindje i numrit të fotoelektroneve të emetuara me numrin e fotoneve që bien në fotokatodë); inercia (për fotocelat me vakum, zakonisht përcaktohet përmes kohës së fluturimit të elektroneve nga fotokatoda në anodë). Një parametër i rëndësishëm është edhe rryma e errët e fotocelës, e cila është shuma e emetimit termik të fotokatodës në temperaturën e dhomës dhe rrymës së rrjedhjes.

Në varësi të materialit të fotokatodës dhe materialit të llambës së fotocelës, ato mund të përdoren në intervalin 0,2 - 1,1 µm. Ndjeshmëria e tyre e integruar qëndron brenda 20 - 100 μA për 1 lm fluksi ndriçues, dhe emetimi termik - brenda . Një avantazh shumë i rëndësishëm i fotocelave me vakum është qëndrueshmëria e tyre e lartë dhe lineariteti i lidhjes së fluksit të dritës me fotorrymën. Prandaj, për një kohë të gjatë ato u përdorën kryesisht në fotometrinë objektive, spektrometrinë, spektrofotometrinë dhe analizën spektrale në rajonin e dukshëm ultravjollcë të spektrit. Disavantazhi kryesor i fotocelave me vakum për matjet e dritës duhet të konsiderohet vogëlsia e sinjaleve elektrike të gjeneruara nga këta marrës drite. E meta e fundit eliminohet plotësisht në tubat fotoshumësues (PMT), që përfaqësojnë, si të thuash, zhvillimin e fotocelave. PMT-të u ndërtuan për herë të parë në 1934.

Oriz. 9. Skema e pajisjes fotoshumëzuese

Parimi i funksionimit të PMT mund të shihet në figurën 9. Fotoelektronet e emetuara nga fotokatoda e PC nën veprimin e fushe elektrike, përshpejtohen dhe bien në elektrodën e parë të ndërmjetme . Duke rënë mbi të, fotoelektronet shkaktojnë emetimin e elektroneve dytësore, dhe në kushte të caktuara, ky emetim sekondar mund të tejkalojë fluksin fillestar të fotoelektroneve për disa herë. Konfigurimi i elektrodave është i tillë që shumica e fotoelektroneve bien në elektrodë, dhe shumica e elektroneve dytësore bien në elektrodën tjetër, ku procesi i shumëzimit përsëritet, e kështu me radhë. Fitimi i përgjithshëm i sistemeve të tilla arrin , dhe ndjeshmëria integrale e PMT arrin mijëra amper për lumen. Kjo, natyrisht, nuk nënkupton mundësinë e marrjes së rrymave të mëdha, por vetëm tregon mundësinë e matjes së flukseve të vogla të dritës.

Natyrisht, të njëjtat karakteristika teknike si ato të fotocelave me vakum, si dhe fitimi dhe varësia e tij nga tensioni i furnizimit, karakterizojnë plotësisht PMT-në. Aktualisht, këto të fundit po zëvendësojnë kudo fotocelat me vakum. Disavantazhet e PMT përfshijnë nevojën për të përdorur një furnizim me energji të tensionit të lartë dhe të stabilizuar, qëndrueshmëri disi më të keqe të ndjeshmërisë dhe zhurmë të lartë. Sidoqoftë, duke aplikuar ftohjen e fotokatodave dhe duke matur jo rrymën e daljes, por numrin e pulseve, secila prej të cilave korrespondon me një fotoelektron, këto mangësi mund të shtypen në masë të madhe.

Avantazhi i madh i të gjithë marrësve të dritës që përdorin efektin fotoelektrik të jashtëm është fakti se rryma e tyre foto nuk ndryshon kur ndryshon ngarkesa. Kjo do të thotë që në vlera të ulëta të rrymës foto mund të aplikohet një rezistencë pothuajse arbitrare e madhe e ngarkesës dhe në këtë mënyrë të arrihet një rënie e tensionit në të, e cila është mjaft e përshtatshme për regjistrim dhe përforcim. Nga ana tjetër, duke zëvendësuar rezistencën me një kapacitet, është e mundur, duke matur tensionin në këtë kapacitet, të merret një vlerë proporcionale me vlerën mesatare të fluksit të dritës gjatë një intervali të caktuar kohor. Kjo e fundit është jashtëzakonisht e rëndësishme në ato raste kur është e nevojshme të matet fluksi i dritës nga drita e paqëndrueshme - një situatë tipike për matjet e analizës spektrale.

Spektrometria në rajonin infra të kuqe të spektrit nuk mund të kryhet duke përdorur fotocela vakum dhe fotomultiplikues për arsye se fotokatodat moderne kanë një kufi të kuq jo më të lartë se 1100 nm. Megjithatë, tashmë dihen materiale që bëjnë të mundur përparimin deri në 3-4 μm. Prandaj, në rajonin infra të kuqe përdoren fotoqeliza që punojnë në bazë të një efekti të brendshëm fotoelektrik. Këto përfshijnë fotorezistorë të paftohur të bazuar në InSb, PbSe dhe PbS, të cilët mund të përdoren deri në 6 µm, dhe fotorezistorë të ftohura thellë të bazuara në germanium të dopuar me ar, zink, bakër dhe metale të tjera, të përshtatshme deri në 40 µm.

Për matjet në rajonin me gjatësi vale më të madhe të spektrit, përdoren marrës termikë; këto të fundit ose ndryshojnë përçueshmërinë e tyre, ose mbi to krijohet një emf. kur nxehet nga rrezatimi i rënë.

Fotocelat gjysmëpërçuese nuk karakterizohen nga një linearitet i rreptë i varësisë së madhësisë së sinjalit elektrik nga ndriçimi. Ky pengesë, si dhe ndryshueshmëria e ndjeshmërisë së fotocelës, paqëndrueshmëria e furnizimit me energji të saj dhe lëvizja e amplifikimit të qarkut matës, eliminohen duke përdorur një sistem me dy rreze, në të cilin nuk është vlera absolute e matet intensiteti i dritës së transmetuar përmes substancës thithëse, por raporti i saj me intensitetin e dritës së burimit të tejdukshëm.

Në jashtëzakonisht numra të mëdhenj Në rastet kur përdoren fotocela, nuk vendosen kërkesa strikte për vetitë e tyre matëse. Prandaj, fotocelat që funksionojnë në bazë të efektit të brendshëm fotoelektrik, për shkak të dimensioneve të tyre të vogla, tensioneve të ulëta të furnizimit dhe një sërë avantazhesh të projektimit, përdoren gjerësisht për sistemet automatike, sistemet e kontrollit, konvertimin e energjisë diellore, kontrollin e prodhimit etj., me përjashtim të për ato raste kur vetitë inerciale relativisht të ulëta të këtyre fotocelave pengojnë përdorimin e tyre.

Bibliografi

1. Landsberg G.S. Optika. Proc. kompensim. - Ed. 5. korrekte - M.: Shkencë. Botimi kryesor i literaturës fizike dhe matematikore, 1976. - 928 f.

2. Godzhaev N.M. Optika. Proc. shtesa për universitetet. - M.: " Shkolla e diplomuar", 1977. - 432 f.

3. Shpolsky E.V. Fizika atomike. Vëllimi 1: Hyrje në fizikën atomike. Tutorial. - botimi i 7-të. korrigjohet - M.: Shkencë. Botimi kryesor i literaturës fizike dhe matematikore, 1984. - 552 f.

4. Saveliev I.V. Kursi i fizikës së përgjithshme: Proc. kompensim. Në 3 vëllime T. 3. Optika kuantike. Fizika atomike. Fizika trup i fortë. Fizika bërthama atomike dhe grimcat elementare. - botimi i 3-të. korrekte – M.: Nauka, Ch. ed. fizike - mat. lit., 1987. - 320 f.

5. Gershenzon E.M., Malov N.N., Mansurov A.N. Optika dhe fizika atomike: Proc. kompensim për studentët. më të larta ped. teksti shkollor ndërmarrjet. - M.: Qendra Botuese "Akademia", 2000. - 408 f.

efekt fotoelektrik u zbulua në 1887 nga fizikani gjerman G. Hertz dhe u studiua eksperimentalisht nga A. G. Stoletov në 1888-1890. Studimi më i plotë i fenomenit të efektit fotoelektrik u krye nga F. Lenard në vitin 1900. Në këtë kohë, elektroni ishte zbuluar tashmë (1897, J. Thomson) dhe u bë e qartë se efekti fotoelektrik (ose, më saktësisht, efekti i jashtëm fotoelektrik) konsiston në tërheqjen e elektroneve nga materia nën ndikimin e dritës që bie mbi të.

Paraqitja e konfigurimit eksperimental për studimin e efektit fotoelektrik është paraqitur në fig. 5.2.1.

Eksperimentet përdorën një enë qelqi me vakum me dy elektroda metalike, sipërfaqja e së cilës u pastrua tërësisht. Një tension u aplikua në elektroda U, polariteti i të cilit mund të ndryshohet duke përdorur një çelës të dyfishtë. Njëra prej elektrodave (katoda K) u ndriçua përmes një dritareje kuarci me dritë monokromatike me një gjatësi vale të caktuar λ. Me një fluks të vazhdueshëm ndriçues, u mor varësia e forcës së fotorrymës I nga tensioni i aplikuar. Në fig. 5.2.2 tregon kthesa tipike të një varësie të tillë, të marra për dy vlera të intensitetit të fluksit të dritës që bie në katodë.

Lakoret tregojnë se në tensione mjaft të larta pozitive në anodin A, fotorryma arrin ngopjen, pasi të gjitha elektronet e nxjerra nga drita nga katoda arrijnë në anodë. Matjet e kujdesshme kanë treguar se rryma e ngopjes I n është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e dritës rënëse. Kur voltazhi nëpër anodë është negativ, fusha elektrike midis katodës dhe anodës ngadalëson elektronet. Anoda mund të arrijë vetëm ato elektrone, energjia kinetike e të cilëve tejkalon | BE|. Nëse tensioni i anodës është më i vogël se - U h, fotorryma ndalon. duke matur U h, është e mundur të përcaktohet energjia maksimale kinetike e fotoelektroneve:

Për habinë e shkencëtarëve, vlera U h rezultoi të ishte e pavarur nga intensiteti i fluksit të dritës rënëse. Matjet e kujdesshme kanë treguar se potenciali bllokues rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës ν të dritës (Fig. 5.2.3).

Eksperimentues të shumtë kanë vendosur ligjet themelore të mëposhtme të efektit fotoelektrik:

1. Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës së dritës ν dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

2. Për çdo substancë ekziston një i ashtuquajtur efekt fotografik i kufirit të kuq , d.m.th., frekuenca më e ulët ν min në të cilën është ende i mundur një efekt i jashtëm fotoelektrik.

3. Numri i fotoelektroneve të nxjerra nga drita nga katoda në 1 s është drejtpërdrejt proporcional me intensitetin e dritës.

4. Efekti fotoelektrik është praktikisht pa inerci, fotorryma ndodh menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës, me kusht që frekuenca e dritës ν > ν min.

Të gjitha këto modele të efektit fotoelektrik kundërshtuan rrënjësisht idetë e fizikës klasike rreth ndërveprimit të dritës me lëndën. Sipas koncepteve të valës, kur bashkëvepron me një valë drite elektromagnetike, një elektron do të duhej të grumbullonte gradualisht energji dhe do të duhej një kohë e konsiderueshme, në varësi të intensitetit të dritës, që elektroni të grumbullonte energji të mjaftueshme për të fluturuar jashtë katodës. . Llogaritjet tregojnë se kjo kohë duhet të ishte llogaritur në minuta ose orë. Sidoqoftë, përvoja tregon se fotoelektronet shfaqen menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës. Në këtë model, ishte gjithashtu e pamundur të kuptohej ekzistenca e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik. teoria e valës e dritës nuk mund të shpjegojë pavarësinë e energjisë së fotoelektroneve nga intensiteti i fluksit të dritës dhe proporcionaliteti i energjisë maksimale kinetike me frekuencën e dritës.

Në këtë mënyrë, teoria elektromagnetike drita nuk ishte në gjendje t'i shpjegonte këto modele.

Një rrugëdalje u gjet nga A. Ajnshtajni në vitin 1905. Një shpjegim teorik i ligjeve të vëzhguara të efektit fotoelektrik u dha nga Ajnshtajni në bazë të hipotezës së M. Planck se drita emetohet dhe absorbohet në pjesë të caktuara, dhe energjia e secilit një pjesë e tillë përcaktohet nga formula E = h v, ku hështë konstante e Planck-ut. Ajnshtajni hodhi hapin tjetër në zhvillimin e koncepteve kuantike. Ai arriti në përfundimin se drita ka një strukturë të ndërprerë (diskrete).. Një valë elektromagnetike përbëhet nga pjesë të veçanta - kuante, i quajtur më pas fotone. Kur bashkëvepron me materien, një foton transferon të gjithë energjinë e tij hν në një elektron. Një pjesë e kësaj energjie mund të shpërndahet nga një elektron në përplasjet me atomet e materies. Përveç kësaj, një pjesë e energjisë së elektronit shpenzohet për tejkalimin e pengesës së mundshme në ndërfaqen metal-vakum. Për ta bërë këtë, elektroni duhet të bëjë funksioni i punës A në varësi të vetive të materialit katodik. Energjia kinetike maksimale që mund të ketë një fotoelektron i emetuar nga katoda përcaktohet nga ligji i ruajtjes së energjisë:

Kjo formulë quhet Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik .

Duke përdorur ekuacionin e Ajnshtajnit, mund të shpjegoni të gjitha modelet efekt i jashtëm fotoelektrik. Nga ekuacioni i Ajnshtajnit vijon varësia lineare Energjia kinetike maksimale në frekuencë dhe pavarësi në intensitetin e dritës, ekzistenca e një kufiri të kuq, efekt fotoelektrik pa inerci. Numri total fotoelektronet që largohen nga sipërfaqja e katodës në 1 s duhet të jenë proporcionale me numrin e fotoneve që bien në sipërfaqe në të njëjtën kohë. Nga kjo rrjedh se rryma e ngopjes duhet të jetë drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e fluksit të dritës.

Siç vijon nga ekuacioni i Ajnshtajnit, pjerrësia e vijës së drejtë që shpreh varësinë e potencialit bllokues U h nga frekuenca ν (Fig. 5.2.3), është e barabartë me raportin e konstantës së Planck h ndaj ngarkesës së një elektroni e:

Kjo bën të mundur përcaktimin eksperimental të vlerës së konstantës së Planck-ut. Matje të tilla u bënë në vitin 1914 nga R. Millikan dhe dhanë përputhje të mirë me vlerën e gjetur nga Planck. Këto matje bënë të mundur edhe përcaktimin e funksionit të punës A:

ku c- shpejtësia e dritës, λ cr - gjatësia e valës që korrespondon me kufirin e kuq të efektit fotoelektrik. Për shumicën e metaleve, funksioni i punës Aështë disa elektron volt (1 eV = 1,602 10 -19 J). AT fizika kuantike Elektron volt përdoret shpesh si një njësi matëse e energjisë. Vlera e konstantës së Plankut, e shprehur në elektron volt për sekondë, është

Ndër metalet, elementet alkaline kanë funksionin më të ulët të punës. Për shembull, natriumi A= 1,9 eV, që i përgjigjet kufirit të kuq të efektit fotoelektrik λcr ≈ 680 nm. Prandaj, lidhjet metale alkali Përdoret për të krijuar katoda në fotocelat projektuar për të zbuluar dritën e dukshme.

Pra, ligjet e efektit fotoelektrik tregojnë se drita, kur emetohet dhe absorbohet, sillet si një rrymë grimcash të quajtura fotone ose kuantë të lehta .

Energjia e fotonit është

rrjedh se fotoni ka momentum

Kështu, doktrina e dritës, pasi kishte përfunduar një revolucion që zgjati dy shekuj, u kthye përsëri në idetë e grimcave të dritës - korpuskulave.

Por ky nuk ishte një kthim mekanik në teorinë korpuskulare të Njutonit. Në fillim të shekullit të 20-të, u bë e qartë se drita ka një natyrë të dyfishtë. Kur drita përhapet, shfaqen vetitë e saj valore (ndërhyrje, difraksion, polarizim), dhe kur ndërvepron me lëndën, korpuskulare (efekt fotoelektrik). Kjo natyrë e dyfishtë e dritës quhet dualiteti valë-grimcë për të cilën foli Lomonosov. Më vonë, natyra e dyfishtë u zbulua në elektrone dhe grimca të tjera elementare. Fizika klasike nuk mund të japë një model vizual të kombinimit të vetive valore dhe korpuskulare të mikro-objekteve. Lëvizja e mikro-objekteve nuk kontrollohet nga ligjet e mekanikës klasike të Njutonit, por nga ligjet e mekanikës kuantike. Teoria e rrezatimit të një trupi krejtësisht të zi, e zhvilluar nga M. Planck, dhe teoria kuantike efekt fotoelektrik Ajnshtajni qëndron në themelin e kësaj shkence moderne.

Në vitin 1900, fizikani gjerman Max Planck hipotezoi se drita emetohet dhe absorbohet në pjesë të veçanta - kuante (ose fotone). Energjia e çdo fotoni përcaktohet nga formula E= h ν , ku h- Konstanta e Plankut, e barabartë me 6,63 10 -34 J s, ν është frekuenca e dritës. Hipoteza e Planck shpjegoi shumë fenomene: në veçanti, fenomenin e efektit fotoelektrik, i zbuluar në 1887 nga shkencëtari gjerman Heinrich Hertz dhe i studiuar eksperimentalisht nga shkencëtari rus A. G. Stoletov.

efekt fotoelektrik - Ky është fenomeni i emetimit të elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës.

Si rezultat i hulumtimit, u krijuan tre ligje të efektit fotoelektrik.

1. Forca e rrymës së ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e rrezatimit të dritës që bie në sipërfaqen e trupit.

2. Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe varet nga intensiteti i saj.

3. Nëse frekuenca e dritës është më e vogël se një frekuencë minimale e caktuar e përcaktuar për një substancë të caktuar, atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh.

Varësia e fotorrymës nga voltazhi është paraqitur në Figurën 36.

Teoria e efektit fotoelektrik u krijua nga shkencëtari gjerman A. Einstein në vitin 1905. Teoria e Ajnshtajnit bazohet në konceptin e funksionit të punës së elektroneve nga një metal dhe konceptin e emetimit të dritës kuantike. Sipas teorisë së Ajnshtajnit, efekti fotoelektrik ka shpjegimin e mëposhtëm: duke thithur një sasi drite, një elektron fiton energji. hv. Kur largohet nga një metal, energjia e çdo elektroni zvogëlohet me një sasi të caktuar, e cila quhet funksioni i punës(Një jashtë). Funksioni i punës është puna e nevojshme për të hequr një elektron nga një metal. Energjia maksimale elektronet pas ikjes (nëse nuk ka humbje të tjera) ka formën: mv 2 / 2 \u003d hv - A jashtë, Ky ekuacion quhet ekuacionet e Ajnshtajnit.

Nese nje hν< Dhe atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh. Do të thotë, efekt fotografik i kufirit të kuqështë e barabartë me ν min = A jashtë / orë

Pajisjet në bazë të parimit të funksionimit të të cilave quhet fenomeni i efektit fotoelektrik fotocelat. Pajisja më e thjeshtë e tillë është një fotocelë me vakum. Disavantazhet e një fotocelli të tillë janë: rrymë e dobët, ndjeshmëri e ulët ndaj rrezatimit me valë të gjata, kompleksiteti në prodhim, pamundësia e përdorimit në qarqe rrymë alternative. Përdoret në fotometri për matjen e intensitetit të dritës, shkëlqimit, ndriçimit, në kinema për riprodhimin e zërit, në fototelegrafë dhe fototelefonë, në menaxhimin e proceseve të prodhimit.

Ekzistojnë fotoqeliza gjysmëpërçuese në të cilat përqendrimi i bartësve të rrymës ndryshon nën ndikimin e dritës.Ato përdoren në kontrollin automatik të qarqeve elektrike (për shembull, në rrotullat e metrosë), në qarqet AC, si burime të rrymës jo të rinovueshme në orë, mikrokalkulatorë. , janë duke u testuar makinat e para solar, janë përdorur në Panele diellore në satelitët artificialë Tokë, stacione automatike ndërplanetare dhe orbitale.

Fenomeni i efektit fotoelektrik lidhet me proceset fotokimike që ndodhin nën veprimin e dritës në materialet fotografike.

Objektiv

Matja e varësisë spektrale të fotopërçueshmërisë së një gjysmëpërçuesi kristalor.

Efekti i brendshëm fotoelektrik

Efekti i brendshëm fotoelektrik është efekti i jonizimit të një gjysmëpërçuesi nën veprimin e dritës, duke çuar në formimin e transportuesve shtesë të ngarkesës jo ekuilibër. Përçueshmëria shtesë për shkak të efektit të brendshëm fotoelektrik quhet fotopërçueshmëri.

Me efekt të brendshëm fotoelektrik proces primarështë thithja e një fotoni me një energji të mjaftueshme për të ngacmuar një elektron në brezin e përcjelljes (kalimet 1 dhe 2 në figurën 1) ose në nivelet lokale të energjisë (tranzicioni 3 në figurën 1) të vendosura në hendekun e brezit të gjysmëpërçuesit. Tranzicioni 1 çon në formimin e një çifti elektron-vrima, ndërsa kalimet 2 dhe 3 rezultojnë në formimin e bartësve të vetëm një shenje.

Nëse ngacmimi optik i elektroneve ndodh nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, atëherë vërehet fotopërçueshmëri e brendshme, e cila krijohet nga bartësit e të dy shenjave. Në këtë rast, padyshim, energjia e fotonit hυ nuk duhet të jetë më e vogël se hendeku i brezit të gjysmëpërçuesit (hυ>ΔΕ).

Për një rrjetë kristalore, është i vlefshëm ligji i ruajtjes së numrit total të valës K, i cili korrespondon me tranzicionet optike direkte dhe indirekte. Nëse kalimi i një elektroni kryhet gjatë bashkëveprimit të një fotoni dhe një elektroni, atëherë ndodh një tranzicion optik i drejtpërdrejtë (vertikal) (tranzicioni 1, Figura 2). Megjithatë, në një rrjetë kristalore, një proces më kompleks ka gjithashtu një probabilitet domethënës: ndërveprimi i një fotoni, një elektroni dhe një fononi (një kuant i dridhjeve të rrjetës kristalore). Si rezultat i një ndërveprimi të tillë, elektroni merr kryesisht energjinë e një fotoni dhe ndryshon numrin e valës së tij për shkak të fononit (tranzicioni 2, Figura 2). Kalimet e tilla quhen kalime optike indirekte (jo vertikale).

Figura 2 -

Në prani të një brezi kompleks energjie, tranzicionet e drejtpërdrejta optike mund të korrespondojnë me një energji më të madhe se energjia e tranzicioneve termike. Meqenëse probabiliteti i tranzicioneve optike indirekte është më i vogël se probabiliteti i tranzicioneve të drejtpërdrejta, spektri i absorbimit të energjisë së fotonit që korrespondon me tranzicionet direkte duhet të tregojë një rritje pak a shumë të mprehtë në përthithje dhe, rrjedhimisht, në fotopërçueshmëri.

Brezi i brendshëm i përthithjes, i cili gjithmonë ka një kufi me valë të gjatë të përcaktuar qartë, në parim mund të ketë gjithashtu një kufi me valë të shkurtër. Megjithatë, në shumë raste brezi i përcjelljes mbivendoset nga shiritat e lejuar që mbulojnë, duke formuar spektri i vazhdueshëm. Prandaj, spektri i përthithjes dhe varësia spektrale e efektit të brendshëm fotoelektrik shtrihet shumë në rajonin me gjatësi vale të shkurtër. Në të njëjtën kohë, në energjitë e larta të fotoneve (hυ > 2ΔΕ), fototranzicioni i një elektroni në brezin e përcjelljes mund të shoqërohet me efektin e jonizimit të ndikimit, duke çuar në lëshimin e disa elektroneve dhe vrimave. Kështu, teoria e efektit të brendshëm fotoelektrik reduktohet në teorinë e përthithjes vetëm në një rajon të caktuar të spektrit afër skajit me gjatësi vale të gjatë të brezit të brendshëm të absorbimit.

Fotopërçueshmëri

Elektronet dhe vrimat jo ekuilibër, të formuara si rezultat i ndërveprimit me fotone me energji mjaft të larta, menjëherë pas procesit të jonizimit mund të kenë energji shumë më të larta se energjia mesatare e bartësve të ekuilibrit, e cila është e barabartë me kT sipas madhësisë. Sidoqoftë, si rezultat i ndërveprimit me fotonet dhe defektet e rrjetës kristalore, transportuesit e ngarkesës jo ekuilibër fitojnë shpejt temperaturën e rrjetës dhe energjia e tyre bëhet e barabartë me energjinë mesatare termike të transportuesve të ngarkesës ekuilibër. Ky proces zhvillohet në rendin prej 10 -10 sekondash, që quhet koha e relaksimit të transportuesve të ngarkesës. Si rregull, jetëgjatësia e transportuesve të ngarkesës jo ekuilibër e tejkalon ndjeshëm këtë vlerë, duke qenë 10 -2 - 10 -7 sekonda, dhe për këtë arsye, pjesa më e madhe e jetës para rikombinimit, energjia e tyre kinetike korrespondon me energjinë termike mesatare të transportuesve të ngarkesës ekuilibër. . Prandaj, mund të supozojmë se shpërndarja e energjisë e bartësve të ngarkesës jo ekuilibër në breza është e njëjtë me atë të atyre në ekuilibër. Kjo do të thotë që lëvizshmëria m e bartësve jo ekuilibër nuk ndryshojnë nga lëvizshmëria e atyre të ekuilibrit, pasi lëvizshmëria e elektroneve m n dhe vrimave m p përcaktohen nga natyra e ndërveprimit të bartësve të ngarkesës me rrjetën dhe varen, në veçanti, mbi shpërndarjen e energjisë së transportuesve.

Pra, gjenerimi i bartësve të ngarkesës nën veprimin e dritës çon në një ndryshim në përçueshmërinë elektrike s të gjysmëpërçuesit, i cili, në prani të elektroneve jo ekuilibër Dn dhe vrimave Dp, mund të shkruhet si:

s=l((n 0 +Dn)m n +(p 0 +Dp)m p),

ku n 0 dhe p 0 janë përqendrimet e elektroneve dhe vrimave të ekuilibrit.

E tepruar (përçueshmëri jo ekuilibër), e barabartë me ndryshimin në përçueshmërinë gjysmëpërçuese në praninë (s) dhe në mungesë (s 0) të ndriçimit, është fotopërçueshmëria (s f):

s f \u003d s-s 0 \u003d l (m n Dn + m p Dp).

Natyrisht, përqendrimet e bartësve jo-ekuilibër Dn dhe Dp varen nga intensiteti dhe kohëzgjatja e ndriçimit të gjysmëpërçuesit.

Le të përcaktojmë shpejtësinë e gjenerimit të bartësve të ngarkesës nën veprimin e ndriçimit si Dn' dhe Dp'. Natyrisht, Dn' dhe Dp' duhet të jenë proporcionale me energjinë e dritës të absorbuar për njësi vëllimi të gjysmëpërçuesit për njësi të kohës. Nëse intensiteti ndriçimi monokromatik Shtresa me trashësi dx është e barabartë me j, dhe koeficienti i thithjes së dritës është i barabartë me k, atëherë sasia e energjisë së dritës së absorbuar për njësi të kohës për njësi vëllimi është e barabartë me:

Kështu, shkalla e gjenerimit të bartësit Dn' dhe Dp' është proporcionale me vlerën e κj. Për rajonin e përthithjes themelore

Dn'=Dp'=bkj.

Koeficienti i proporcionalitetit b quhet koeficienti i rendimentit kuantik, pasi përcakton numrin e çifteve të bartësve të ngarkesës (ose numrin e bartësve të ngarkesës në rastin e fotopërçueshmërisë së papastërtisë) të formuar nga një kuantë drite e absorbuar, nëse intensiteti i dritës j matet me numri i fotoneve në sekondë. Zakonisht koeficienti kuantik i rendimentit b nuk e kalon unitetin.

Kur gjysmëpërçuesi ndriçohet vazhdimisht me dritë me intensitet konstant, krijohet një gjendje e palëvizshme, e karakterizuar nga një përqendrim konstant i bartësve të ngarkesës jo ekuilibër Dn dhe Dp. Le të gjejmë varësinë e Dn dhe Dp nga koha t dhe të përcaktojmë vlerat stacionare të përqendrimeve të bartësve të ngarkesës jo ekuilibër, duke supozuar se intensiteti i dritës është konstant në të gjithë vëllimin e kampionit, gjë që çon në një gjenerim uniform ngarkese. transportuesit.

Menjëherë pas fillimit të ndriçimit, me rritjen e përqendrimit të bartësve të ngarkesës jo ekuilibër të ndriçimit, me rritjen e përqendrimit të transportuesve të ngarkesës jo ekuilibër, intensiteti i procesit të rikombinimit fillon të rritet. Meqenëse shkalla e gjenerimit të transportuesve të ngarkesës jo ekuilibër mbetet konstante me një intensitet konstant ndriçimi, intensiteti i rikombinimit shpejt arrin intensitetin e procesit të gjenerimit të bartësit dhe krijohet një gjendje e qëndrueshme e përqendrimit të fotobartësit joekuilibër.

Ndryshimi në përqendrimin e bartësve jo-ekuilibër për njësi të kohës është diferenca midis shkallës së gjenerimit dhe rikombinimit të bartësve:

Termi i dytë në anën e djathtë të këtij ekuacioni merr parasysh uljen e përqendrimit të bartësve të ngarkesës minoritare si rezultat i procesit të rikombinimit. Intensiteti i rikombinimit mund të konsiderohet proporcional me përqendrimin e bartësve joekuilibër vetëm nëse jetëgjatësia e bartësve joekuilibër (e njëjtë për elektronet dhe vrimat) t nuk varet nga përqendrimi i tyre.

Ky kusht realizohet kur përqendrimi i bartësve joekuilibër Dn, Dp është i vogël në krahasim me përqendrimin e bartësve kryesorë të ngarkesës në ekuilibër (për shembull, Dp=Dn<<р 0), так как при этом изменение концентрации основных носителей под действием освещения можно пренебречь и считать её постоянной. Этот случай имеет место, например, в примесном полупроводнике при генерации фотоносителей в области фундаментального поглощения при такой температуре, когда вся примесь ионизирована.

Le të gjejmë zgjidhjen e ekuacionit (!), duke supozuar se Dp=Dn<<р 0 и р 0 >>n 0 dhe se gjysmëpërçuesi fillon të ndriçohet në kohën t=0 me dritë me intensitet konstant. Më pas, duke i ndarë variablat dhe duke integruar, duke marrë parasysh kushtin fillestar Dn=0 në t=0, marrim:

Dn=tbkj(1-e -t/ t). (2)

Vlera e qëndrueshme e përqendrimit të elektroneve joekuilibër Dn 0 përcaktohet në t®¥:

Nëse, përkundrazi, në mostër krijohet një përqendrim i palëvizshëm i bartësve joekuilibër Dn 0 dhe drita ndizet në momentin t=0, atëherë përqendrimi i transportuesve të ngarkesës joekuilibër bie në zero sipas ligjit:

Dn=Dn 0 e -t/ t =tbkj e -t/ t .

Kështu, relaksimi (d.m.th., ngritja dhe rënia) e përqendrimit jo-ekuilibër të transportuesve të ngarkesës me ndezjen dhe fikjen e menjëhershme të dritës ndodh sipas një ligji eksponencial me një konstante kohore t që korrespondon me jetën e transportuesve të ngarkesës joekuilibër.

Varësitë e marra analitike për rritjen e përqendrimit të transportuesve të ngarkesës jo ekuilibër bëjnë të mundur përcaktimin e ligjit të ndryshimit të përçueshmërisë së palëvizshme jo ekuilibër (përqendrimit) në intensitetin e ndriçimit, domethënë të ashtuquajturin luks-amper. karakteristikat. Me një ligj të rikombinimit linear, kur jetëgjatësia e bartësve të ngarkesës jo ekuilibër nuk varet nga intensiteti i ndriçimit, karakteristika e luxampere është lineare, pasi, në përputhje me ekuacionin (3), përqendrimi i palëvizshëm joekuilibri Dn 0 është proporcional me intensitetin e dritës j. .

Fotopërçueshmëria në prani të rikombinimit të sipërfaqes dhe difuzionit të transportuesve të ngarkesës

Në analizën e mëparshme të fotopërçueshmërisë, ku gjenerimi i njëtrajtshëm i bartësve të ngarkesës supozohej në të gjithë vëllimin e kampionit, ishte rikombinimi i bartësve të ngarkesës në sipërfaqe, i cili çon në një ulje relative të përqendrimit të transportuesve të ngarkesës jo ekuilibër pranë sipërfaqes. nuk merret parasysh. Nëse, si më parë, përthithja e rrezatimit supozohet të jetë uniforme, atëherë ndryshimi i vetëm që lidhet me marrjen parasysh të sipërfaqeve të rikombinimit në zgjidhjen e ekuacionit (2) do të jetë zëvendësimi i jetëgjatësisë së bartësve të ngarkesës jo ekuilibër me jetëgjatësinë efektive. t':

ku S është shpejtësia e sipërfaqeve të rikombinimit (duke supozuar se S është i vogël);

d është madhësia e kampionit në drejtim të ndriçimit.

Raporti i t ndaj jetëgjatësisë efektive t' karakterizon fotopërçueshmërinë e kampionit në prani të rikombinimit sipërfaqësor të bartësve të ngarkesës:

Mund të shihet nga (4) se nëse St<>d, atëherë fotopërçueshmëria rezulton të jetë (2 St)/d herë më e vogël se fotopërçueshmëria në S=0, dhe përcaktohet vetëm nga kushtet e rikombinimit të bartësve të ngarkesës në sipërfaqe

Prania e një procesi rikombinimi sipërfaqësor mund të ketë një efekt jo vetëm në vlerën e palëvizshme të fotopërçueshmërisë, por edhe në varësinë spektrale të fotopërçueshmërisë. Në mënyrë cilësore, kjo mund të shpjegohet si më poshtë. Kur matet varësia spektrale e fotopërçueshmërisë në rajonin e skajit themelor të përthithjes, ku koeficienti i përthithjes k(l) rritet fuqishëm (deri në 10 4 – 10 5 cm -1), hyjnë në lojë dy procese konkurruese. Njëra prej tyre çon në një rritje të fotopërçueshmërisë për shkak të rritjes së koeficientit të përthithjes k(l), me kusht që kampioni të ndriçohet me dritë monokromatike në një fluks fotoni konstant. Procesi i dytë konsiston në një rritje relative të përqendrimit të elektroneve pranë sipërfaqes, gjithashtu për shkak të një rritjeje, të cilat kanë një jetë më të shkurtër se transportuesit në masë. Këto procese mund të çojnë në faktin se në varësinë spektrale të fotopërçueshmërisë, një maksimum i fotopërçueshmërisë do të vërehet në skajin e përthithjes themelore (Fig. 3). Është e qartë se sa më i lartë të jetë shkalla e rikombinimit të sipërfaqes, aq më i theksuar do të jetë maksimumi i fotopërçueshmërisë.

s f

Figura 3 -

Le të shqyrtojmë tani rastin kur rrezatimi i rënë absorbohet në mënyrë jo të njëtrajtshme mbi trashësinë α të kampionit dhe ndodh difuzioni i bartësve të ngarkesës. Ne do ta konsiderojmë kampionin të jetë i trashë, kështu që d>>1/k dhe d>>L (L është gjatësia e difuzionit bipolar). Kushti kd>>1 tregon se pothuajse i gjithë rrezatimi absorbohet në një të hollë shtresa sipërfaqësore mostra dhe intensiteti i rrezatimit të reflektuar nga sipërfaqja e pa ndriçuar e kampionit mund të neglizhohet. Në këtë rast, intensiteti i rrezatimit j' brenda kampionit përshkruhet nga ekuacioni:

j"=j(1-R s)×e -kx,

ku R s - koeficienti i reflektimit nga sipërfaqja e gjysmë-pafundësisë së kampionit;

j është intensiteti i dritës rënëse.

Ekuacioni për përqendrimin e palëvizshëm të bartësve të tepërt të ngarkesës Dр(х) në mostrën e përçueshmërisë elektronike në prani të gjenerimit dhe difuzionit jo uniform të transportuesve të ngarkesës ka formën:

ku D është koeficienti i difuzionit bipolar të elektroneve dhe vrimave q=bkj'.

Zgjidhja përkatëse e ekuacionit (6) do të jetë funksioni:

Dp (x) \u003d Ae - x / L + Be -kx, (7)

ku L=(Дt) 1/2 - gjatësia e difuzionit bipolar.

Faktor konstantВ gjendet duke zëvendësuar (7) në (6):

Koeficienti konstant A mund të përcaktohet nga gjendja kufitare në sipërfaqen e ndriçuar (në x=0)

Do të thotë se rrjedha e difuzionit të bartësve të tepërt në sipërfaqen e ndriçuar është proporcionale me përqendrimin e bartësve joekuilibër. Meqenëse roli i sipërfaqeve të rikombinimit në fenomenin e fotopërçueshmërisë është vlerësuar më herët, le të supozojmë në këtë rast shpejtësinë e sipërfaqeve të rikombinimit S = 0 dhe të përcaktojmë konstantën A nga kushti

Pastaj shpërndarja e bartësve të ngarkesës mbi mostrën mund të shkruhet si:

Duhet të theksohet se nëse kL>>1, atëherë bartësit e tepërt depërtojnë në një thellësi shumë më të madhe se rrezatimi, dhe thellësia e depërtimit të tyre është e barabartë në rendin e madhësisë me gjatësinë e difuzionit L. Duke integruar (8) mbi X, mund të përcaktohet përqendrimi total i transportuesve të tepërt të ngarkesës Δρ, që marrin pjesë në fotopërçueshmërinë e kampionit në drejtimin y (madhësia e tretë e kampionit në drejtimin Z konsiderohet e barabartë me 1):

Kjo tregon se përqendrimi total i mbartësve të tepërt është në proporcion me numrin total të fotoneve të absorbuara për njësi sipërfaqe të mostrës.

Fotopërçueshmëria e papastërtive

Nëse ka nivele lokale papastërtie në hendekun e brezit gjysmëpërçues, rrezatimi, si dhe ngacmimi termik, mund të shkaktojnë kalime të elektroneve ndërmjet niveleve të papastërtive dhe brezave (Fig. 1 tranzicionet 2 dhe 3). Absorbimi dhe fotopërçueshmëria për shkak të tranzicioneve të tilla quhen papastërti. Energjia e jonizimit të niveleve të vendosura në hendekun e brezit është natyrisht më e vogël se gjerësia e hendekut të brezit ΔΕ. Prandaj, kufiri me gjatësi vale të gjatë të thithjes së papastërtive dhe fotopërçueshmërisë zhvendoset në anën me gjatësi vale të gjatë të spektrit në lidhje me thithjen e brendshme dhe fotopërçueshmërinë.

0,2 0,4 0,6 0,8 hn(eV)

Figura 4 -

Figura 4 tregon përthithjet spektrale, intensiteti i gjenerimit të bartësit bkj ndryshon në mënyrë jolineare me intensitetin e dritës, pasi koeficienti i përthithjes nuk mbetet konstant (k varet nga j), por zvogëlohet me rritjen e intensitetit të dritës për shkak të një zbrazjeje të dukshme të qendrave të papastërtive. Prandaj, karakteristika luxampere në rajonin e fotopërçueshmërisë së papastërtisë do të jetë lineare vetëm në intensitete të ulëta të dritës dhe do të arrijë ngopjen për intensitetet e larta të dritës kur qendrat e papastërtive janë shteruar plotësisht.

Varësia e koeficientit k(j) në rajonin e papastërtisë nga intensiteti i rrezatimit është gjithashtu i rëndësishëm në proceset e relaksimit të fotopërçueshmërisë së papastërtive. AT rast i thjeshtë ngacmimi i fotopërçueshmërisë së papastërtive shoqërohet me shfaqjen e bartësve të lirë të vetëm një shenje, ndërsa ngarkesat e shenjës së kundërt mbeten të lokalizuara në atomet e papastërtive. Prandaj, proceset e difuzionit të përbashkët dhe zhvendosjes së çifteve elektron-vrima në kushtet e neutralitetit elektrik nuk mund të ndodhin.

Karakteristika e procesit të difuzionit nuk është gjatësia e difuzionit, por gjatësia e shqyrtimit të Debye. Në përqendrimet e bartësit të ngarkesës karakteristike për materiale të tilla si germaniumi dhe silikoni, gjatësia e skanimit të Debye është shumë e vogël (10 -6 - 10 -4 cm), dhe, për rrjedhojë, proceset e difuzionit të bartësit të ngarkesës gjatë gjenerimit të tyre johomogjen mund të injorohen.

Laboratori numër 6

"Studimi i fotopërçueshmërisë së gjysmëpërçuesve"

Teknika e vendosjes dhe matjes së matjes

Figura 1.- Diagrami skematik i instalimit matës

Drita nga burimi L fokusohet nga një sistem optik në të çarën hyrëse S1 të monokromatorit MX. Fluksi i dritës mund të modulohet nga një modulator mekanik M dhe të dobësohet nga filtrat F. Nga çarja dalëse S2 e monokromatorit, rrezatimi drejtohet në kampionin gjysmëpërçues dhe plotësisht në të, duke shkaktuar fotopërçueshmëri. Sinjali elektrik që shfaqet në rezistencën e ngarkesës Rn në qarkun e mostrës matet me një voltmetër llambë LV.

Burimi i dritës në konfigurimin e matjes është një llambë inkandeshente tungsteni.

Modulatori i dritës është një disk me prerje, i cili rrotullohet nga një motor elektrik. Frekuenca e modulimit të dritës përcaktohet nga numri i rrotullimeve të motorit elektrik dhe numri i prerjeve në disk.

Në seri me kampionin, rezistenca e së cilës është në errësirë, lidhet një bateri me tension U dhe një rezistencë ndaj ngarkesës Rl. Kur kampioni ndriçohet me dritë të moduluar, në rezistencën e ngarkesës shfaqet një sinjal alternativ, i cili përforcohet nga amplifikatori dhe matet me një voltmetër.

Rradhe pune

1. Aktivizoni instalimin dhe fokusohuni sistemi optik sipas sinjalit maksimal të kampionit. Mostra duhet të ndriçohet në mënyrë uniforme me dritë monokromatike në distancën më të shkurtër të mundshme nga çarja e daljes së monokromatorit.

2. Matni varësinë spektrale të fotopërçueshmërisë në njësitë relative U(λ), duke bërë matje përmes 50 0 të shkallës së daulleve. Regjistroni rezultatet e matjes në një tabelë dhe ndërtoni një grafik në një shkallë arbitrare.

3. Duke përdorur një dritë neoni, kalibroni shkallën e daulles. Linja e verdhë e spektrit neoni korrespondon me λ = 5852.5A, vija e kuqe - 6402.2A.

4. Përcaktoni hendekun e brezit të një materiali gjysmëpërçues duke përdorur pozicionin spektral të maksimumit të fotopërçueshmërisë .

pyetjet e testit

1. Çfarë është një efekt i brendshëm?

2. Çfarë janë kalimet e drejtpërdrejta dhe të drejtuara të elektroneve?

3. Përcaktoni kohën e relaksimit të transportuesve të ngarkesës.

4. Çfarë kuptimi fizik ka konceptin e rendimentit kuantik?

5. Si ndryshon përqendrimi i bartësit jo-ekuilibër kur drita ndizet/fiket, nëse Dt®0?

6. Jepni konceptin e jetëgjatësisë efektive.

7. Sa është gjatësia e shfaqjes së Debye.

Letërsia

1. Punëtori për gjysmëpërçuesit dhe pajisjet gjysmëpërçuese. Ed. K. V. Shalimova.-M .: Shkolla e lartë, 1968.-87-97.

2. Pavlov L.P. Metodat për përcaktimin e parametrave kryesorë të materialeve gjysmëpërçuese.-M.: Shkolla e Lartë, 1975.-125-128, 132-141s.