fotoelektrik effekt

- yorug'lik ta'sirida jismlar tomonidan elektronlarning chiqishi, 1887 yilda Gertsen tomonidan kashf etilgan. 1888 yilda Galvaks elektr neytral metall plastinka ultrabinafsha nurlar bilan nurlantirilganda, ikkinchisi musbat zaryad olishini ko'rsatdi. O'sha yili Stoletev birinchi fotoelementni yaratdi va uni amalda qo'lladi, so'ngra fototok kuchining tushayotgan yorug'lik intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionalligini o'rnatdi. 1899 yilda J.J.Tompson va F.Lenard fotoelektr effekti vaqtida yorugʻlik elektronlarni moddadan chiqarib yuborishini isbotladi.

Fotoelektr effektining 1-qonunining formulasi: 1 s ichida metall yuzasidan yorug'lik ta'sirida chiqarilgan elektronlar soni yorug'lik intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

Ga ko'ra Fotoelektrik effektning 2-qonuni, yorug'lik tomonidan chiqarilgan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug'lik chastotasi bilan chiziqli ravishda ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas.

Fotoeffektning uchinchi qonuni: har bir modda uchun fotoelektr effektining qizil chegarasi, ya'ni yorug'likning minimal chastotasi mavjudv0 (yoki maksimal to'lqin uzunligiy0 ), bunda fotoelektr effekti hali ham mumkin va agarvv0 , keyin fotoelektrik effekt endi sodir bo'lmaydi.

Birinchi qonun yorug'likning elektromagnit nazariyasi nuqtai nazaridan tushuntiriladi: yorug'lik to'lqinining intensivligi qanchalik katta bo'lsa, elektronlar soni shunchalik ko'p bo'lib, metalldan qochish uchun etarli energiya o'tkaziladi. Fotoelektr effektining boshqa qonunlari bu nazariyaga ziddir.

Bu qonunlarning nazariy izohi 1905 yilda Eynshteyn tomonidan berilgan. Uning fikricha, elektromagnit nurlanish har birining energiyasi hv (Plank h-doimiy) bo'lgan alohida kvantlar (fotonlar) oqimidir. Fotoelektrik effekt bilan tushgan elektromagnit nurlanishning bir qismi metall yuzasidan aks etadi va bir qismi metallning sirt qatlamiga kirib, u erda so'riladi. Fotonni yutib, elektron undan energiya oladi va ish funktsiyasini bajarib, metallni tark etadi:

Hv=A+mv 2/2 , qayerda

mv 2 - elektron metallni tark etganda ega bo'lishi mumkin bo'lgan maksimal kinetik energiya. Buni aniqlash mumkin:

U 3 - kechikish kuchlanishi.

Eynshteyn nazariyasida fotoeffekt qonunlari quyidagicha izohlanadi:

1. Yorug'lik intensivligi yorug'lik nuridagi fotonlar soniga proportsionaldir va shuning uchun metalldan chiqarilgan elektronlar sonini aniqlaydi.

2. Ikkinchi qonun tenglamadan kelib chiqadi: mv 2 /2=hv-A.

3. Xuddi shu tenglamadan kelib chiqadiki, fotoeffekt faqat yutilgan fotonning energiyasi metalldan elektronning ish funktsiyasidan oshib ketganda mumkin. Ya'ni, bu holda yorug'lik chastotasi har birining o'ziga xos xususiyatlaridan oshishi kerak moddaning qiymati, A>h ga teng. Ushbu minimal chastota fotoelektr effektining qizil chegarasini aniqlaydi:

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

4. Yorug'likning past chastotasida foton energiyasi elektronni bajarish uchun etarli emas ish funktsiyasi va shuning uchun fotoelektrik effekt yo'q.

Eynshteynning kvant nazariyasi Stoletev tomonidan o'rnatilgan boshqa naqshni tushuntirishga imkon berdi. 1888 yilda Stoletov fototokning fotoelementning katodining yoritilishi bilan deyarli bir vaqtda paydo bo'lishini payqadi. Klassik to'lqin nazariyasiga ko'ra, yorug'lik elektromagnit to'lqini sohasidagi elektron parvoz uchun zarur bo'lgan energiyani to'plash uchun vaqt talab qiladi va shuning uchun fotoelektrik effekt kamida bir necha soniya kechikish bilan sodir bo'lishi kerak. Kvant nazariyasiga ko'ra, foton elektron tomonidan yutilganda, fotonning barcha energiyasi elektronga o'tadi va energiya to'plash uchun vaqt talab qilinmaydi.

Lazerlarning ixtiro qilinishi bilan juda kuchli yorug'lik nurlari bilan tajriba o'tkazish mumkin bo'ldi. Lazer nurlanishining ultraqisqa impulslaridan foydalanib, elektron katodni tark etishdan oldin bitta emas, balki bir nechta fotonlar bilan to'qnashganda multifoton jarayonlarini kuzatish mumkin edi. Bunda fotoeffekt tenglamasi yoziladi: Nhv=A+mv 2 /2, bu qizil chegaraga mos keladi.

Fotoelektr effekti texnologiyada keng qo'llaniladi. Fotoelementlarning ishlashi fotoelektrik effekt hodisasiga asoslanadi. Fotoelementning o'rni bilan kombinatsiyasi mayoqlarni va ko'cha yoritgichlarini o'z vaqtida yoqadigan va o'chiradigan, eshiklarni avtomatik ravishda ochadigan, qismlarni saralaydigan, odamning qo'lida bo'lganida kuchli pressni to'xtatadigan ko'plab "ko'ruvchi" mashinalarni loyihalash imkonini beradi. xavfli zona. Fotoelementlar yordamida plyonkaga yozib olingan tovush takrorlanadi.

Shunga o'xshash tezislar:

1. Nyuton qonunlari. Impulsning saqlanish qonuni. Nyutonning birinchi qonuni. Har qanday jism, qo'llaniladigan kuchlar uni bu holatni o'zgartirishga majburlamaguncha, o'zining tinch holatida yoki bir xil to'g'ri chiziqli harakatda qolishda davom etadi. Tezlikni doimiy ushlab turish hodisasi inersiya deb ataladi.

Kosinus emitentining yorug'lik intensivligini, uning yorqinligi va yorqinligini aniqlash. Berilgan to'lqin uzunligi uchun energiya yorqinligining spektral zichligini hisoblash. Plank doimiysini hisoblash usuli. Bor nazariyasi bo'yicha atomdagi elektronning aylanish davrini hisoblash.

Taxminan imtihon chiptalari fizikada bilet raqami 1 Mexanik harakat. Harakatning nisbiyligi. Malumot tizimi. Moddiy nuqta. Traektoriya. Yo'l va harakat. Tezlik. Tezlashtirish. Bir xil va bir xil tezlashtirilgan harakat.

Nazariy asos optoelektronik qurilmalar. Yorug'likning kimyoviy ta'siri. Yorug'likning fotoelektrik, magnit-optik, elektro-optik effektlari va ularning qo'llanilishi. Kompton effekti. Raman effekti. Yengil bosim. Yorug'likning kimyoviy ta'siri va uning tabiati.

Fotoelektrik effekt haqida tushuncha, uning mohiyati va xususiyatlari, kashfiyot va o‘rganish tarixi, hozirgi zamon bilimlari. Stoletov qonunlari, ularning ushbu hodisaning xususiyatlarini ochishdagi ahamiyati. Yorug'likning kvant nazariyasi, Eynshteyn tenglamasi yordamida fotoeffekt qonunlarini tushuntirish.

Diapazon nomi Toʻlqin uzunligi (m) Chastota (Gts) Manba koʻrsatkichi Asosiy xossalari Qoʻllanilishi odamlarga taʼsiri 1. Radiotoʻlqinlar 3×10 Superoʻtkazuvchilar va elektron oqimlardagi oʻzgaruvchan toklar, radiochastota generatori (Quyosh, yulduzlar, galaktikalar, metagalaktikalar ...

tashqi fotoelektr effekti. Yaqin o'tmishda rus fizigi Stoletov Aleksandr Grigoryevich sirli hodisaga - tashqi fotoelektr effektiga duch keldi. Takroriy tajribalar natijasida u buni aniqladi metall plastinka, toʻgʻrirogʻi, uning yuzasi elektromagnit ultra... taʼsirida elektronlar chiqaradi.

umumiy xususiyatlar ichki fotoeffekt, uning xususiyatlari, kashfiyot va o'rganish tarixi. Ushbu effektdan fotoelektrik transduserlarni, joylashuv sensorlarini, ikki o'lchovli pozitsiyani o'lchash va pürüzlülük sensorlarini o'lchash uchun foydalaning.

Maksimal nurlanish kuchi tushadigan to'lqin uzunligini aniqlash, energiya yorqinligining spektral zichligini aniqlash. Qo'zg'aluvchan holatda bo'lgan vodorod atomidagi elektronning aylanish davrini Bor nazariyasiga ko'ra hisoblash.

Fotoelektrik effekt hodisasining ochilishi klassik fizika doirasiga to‘g‘ri kelmadi. Bu yaratilishga olib keldi kvant mexanikasi. Fotoelektrik effekt va yorug'likning diskret tabiati. Elektron diffraktsiyasi. Korpuskulyar-to'lqinli dualizm hodisasini qo'llash.

Fizika fanidan imtihon uchun savollar Elektrolitlardagi elektr toki. Elektroliz qonunlari. Gazlarning elektr o'tkazuvchanligi. O'z-o'zidan va o'z-o'zidan ta'minlanmagan gaz chiqindilari.

Kirish Deyarli bir vaqtda ikkita yorug'lik nazariyasi ilgari surildi: Nyutonning korpuskulyar nazariyasi va Gyuygensning to'lqin nazariyasi. 17-asr oxirida Nyuton tomonidan ilgari surilgan korpuskulyar nazariyaga yoki chiqish nazariyasiga koʻra, yorugʻ jismlar toʻgʻri chiziq boʻylab uchadigan mayda zarrachalar (korpuskulalar) chiqaradi...

Kirish

1. Fotoelektr effektining kashf etilishi tarixi

2. Stoletov qonunlari

3. Eynshteyn tenglamasi

4. Ichki fotoelektr effekti

5. Fotoelektrik effekt hodisasini qo'llash

Adabiyotlar ro'yxati

Kirish

Ko'p optik hodisalar yorug'likning to'lqin tabiati haqidagi g'oyalar asosida izchil tushuntirilgan. Biroq, ichida kech XIX- XX asr boshlari. Fotoelektr effekti, rentgen nurlari, Kompton effekti, atom va molekulalarning nurlanishi kabi hodisalar kashf qilindi va oʻrganildi. termal nurlanish va boshqalar, ularning tushuntirishlari bilan to'lqin nuqtasi ko'rish imkonsiz edi. Yorug'likning tabiati haqidagi korpuskulyar g'oyalar asosida yangi eksperimental faktlarning izohi olindi. Optik hodisalarni tushuntirish uchun to'lqin va zarrachaning mutlaqo qarama-qarshi fizik modellaridan foydalanish bilan bog'liq paradoksal vaziyat yuzaga keldi. Ba'zi hodisalarda yorug'lik to'lqin xususiyatlarini, boshqalarida - korpuskulyarlikni ko'rsatdi.

Yorug'likning materiyaga ta'siri namoyon bo'ladigan turli hodisalar orasida muhim o'rinni egallaydi. fotoelektrik effekt, ya'ni yorug'lik ta'sirida moddaning elektronlar chiqarishi. Ushbu hodisani tahlil qilish yorug'lik kvantlari g'oyasini keltirib chiqardi va zamonaviy nazariy tushunchalarni ishlab chiqishda juda muhim rol o'ynadi. Shu bilan birga, fotoelektr effekti fotoelementlarda qo'llaniladi, ular fan va texnikaning eng xilma-xil sohalarida juda keng qo'llanilgan va yanada boy istiqbollarni va'da qilmoqda.

1. Fotoelektr effektining kashf etilishi tarixi

Fotoelektrik effektning kashfiyoti 1887 yilga to'g'ri keladi, o'shanda Gerts ultrabinafsha nurlar bilan kuchlanish ostida uchqun bo'shlig'i bo'lgan yorituvchi elektrodlar ular orasidagi uchqunni osonlashtirishini aniqlagan.

Gerts tomonidan kashf etilgan hodisani quyidagi oson bajariladigan tajribada kuzatish mumkin (1-rasm).

F uchqun oralig'ining qiymati shunday tanlanadiki, transformator T va kondansatkich C dan iborat bo'lgan sxemada uchqun qiyinchilik bilan (daqiqada bir yoki ikki marta) sakraydi. Agar sof sinkdan yasalgan F elektrodlari Hg simob chiroq nuri bilan yoritilgan bo'lsa, u holda kondansatörning zaryadsizlanishi juda osonlashadi: uchqun sakray boshlaydi. 1. Gerts tajribasining sxemasi.

Fotoelektr effekti 1905 yilda Albert Eynshteyn tomonidan tushuntirilgan (buning uchun u olingan. Nobel mukofoti) Maks Plankning yorug'likning kvant tabiati haqidagi gipotezasiga asoslanadi. Eynshteynning ishi muhim ahamiyatga ega edi yangi gipoteza- agar Plank yorug'lik faqat kvantlangan qismlarda chiqariladi, deb taklif qilgan bo'lsa, Eynshteyn allaqachon yorug'lik faqat kvant qismlar shaklida mavjud deb ishongan. Yorug'likning zarralar (fotonlar) sifatidagi tushunchasidan Eynshteynning fotoelektr effekti formulasi darhol quyidagicha:

qayerda - kinetik energiya chiqarilgan elektronning, berilgan moddaning ish funktsiyasi, tushayotgan yorug'lik chastotasi, Plank doimiysi bo'lib, u qora jismning nurlanishi uchun Plank formulasi bilan aynan bir xil bo'lib chiqdi.

Bu formuladan fotoeffektning qizil chegarasining mavjudligi kelib chiqadi. Shunday qilib, fotoelektrik effektni o'rganish eng qadimgi kvant mexanik tadqiqotlar qatoriga kirdi.

2. Stoletov qonunlari

Birinchi marta (1888-1890) fotoelektrik effekt hodisasini batafsil tahlil qilib, rus fizigi A.G. Stoletov juda muhim natijalarga erishdi. Oldingi tadqiqotchilardan farqli o'laroq, u elektrodlar orasidagi kichik potentsial farqni oldi. Stoletov tajribasining sxemasi shaklda ko'rsatilgan. 2.

Vakuumda joylashgan ikkita elektrod (biri panjara shaklida, ikkinchisi tekis) batareyaga biriktirilgan. O'chirishga kiritilgan ampermetr hosil bo'lgan oqim kuchini o'lchash uchun ishlatiladi. Katodni yorug'lik bilan nurlantirish orqali turli uzunliklar to'lqinlar, Stoletov ultrabinafsha nurlar eng samarali ta'sirga ega degan xulosaga keldi. Bundan tashqari, yorug'lik ta'sirida hosil bo'lgan oqimning kuchi uning intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional ekanligi aniqlandi.

1898 yilda Lenard va Tomson elektr va elektr tokida zaryadni burilish usulidan foydalangan holda. magnit maydonlar chiqarilgan zaryadlangan zarralarning solishtirma zaryadini aniqladi 2. Stoletov tajribasining sxemasi.

katoddan yorug'lik oldi va ifodani oldi

SGSE birligi s/g, elektronning ma'lum o'ziga xos zaryadiga to'g'ri keladi. Bundan kelib chiqadiki, yorug'lik ta'sirida elektronlar katod materialidan chiqariladi.

Olingan natijalarni umumlashtirib, quyidagilar naqshlar fotoelektr effekti:

1. Yorug'likning doimiy spektral tarkibi bilan to'yingan fototokning kuchi katodga tushadigan yorug'lik oqimiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

2. Yorug'lik tomonidan chiqarilgan elektronlarning boshlang'ich kinetik energiyasi yorug'lik chastotasi bilan chiziqli ravishda ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas.

3. Agar yorug'lik chastotasi qizil chegara deb ataladigan har bir metallga xos bo'lgan ma'lum qiymatdan kam bo'lsa, fotoelektr effekti yuzaga kelmaydi.

Fotoelektr effektining birinchi qolipi, shuningdek, fotoeffektning o'zi paydo bo'lishini klassik fizika qonunlariga asoslanib osongina tushuntirish mumkin. Darhaqiqat, yorug'lik maydoni metall ichidagi elektronlarga ta'sir qilib, ularning tebranishlarini qo'zg'atadi. Majburiy tebranishlarning amplitudasi elektronlar metallni tark etadigan shunday qiymatga yetishi mumkin; keyin fotoelektr effekti kuzatiladi.

Klassik nazariyaga ko'ra, yorug'likning intensivligi kvadratga to'g'ridan-to'g'ri proportsional ekanligini hisobga olgan holda elektr vektor, yorug'lik intensivligi oshishi bilan chiqarilgan elektronlar soni ortadi.

Fotoelektr effektining ikkinchi va uchinchi qonunlari klassik fizika qonunlari bilan izohlanmagan.

Metallni oqim bilan nurlantirganda sodir bo'ladigan fototokning bog'liqligini o'rganish (3-rasm). monoxromatik yorug'lik, elektrodlar orasidagi potentsiallar farqi bo'yicha (bu bog'liqlik odatda fototokning volt-amper xarakteristikasi deb ataladi) aniqlandi: 1) fototok nafaqat da, balki da ham sodir bo'ladi; 2) fotooqim ma'lum bir metall uchun qat'iy belgilangan potentsial farqning noldan manfiy qiymatigacha farq qiladi, bu kechiktiruvchi potentsial deb ataladi; 3) blokirovkalash (kechiktirish) potentsialining kattaligi tushayotgan yorug'likning intensivligiga bog'liq emas; 4) sekinlashtiruvchi potentsialning mutlaq qiymatining kamayishi bilan fototok ortadi; 5) fototokning qiymati o'sish bilan ortadi va ma'lum bir qiymatdan fototok (to'yinganlik oqimi deb ataladigan) doimiy bo'ladi; 6) to'yingan tokning qiymati tushayotgan yorug'lik intensivligi oshishi bilan ortadi; 7) kechikishning qiymati 3. Xususiyat

potentsial tushayotgan yorug'lik chastotasiga bog'liq; fototok.

8) yorug'lik ta'sirida chiqarilgan elektronlarning tezligi yorug'lik intensivligiga bog'liq emas, balki faqat chastotasiga bog'liq.

3. Eynshteyn tenglamasi

Fotoelektr effekti hodisasi va uning barcha qonunlari yorug'likning kvant nazariyasi yordamida yaxshi tushuntirilgan, bu tasdiqlaydi. kvant tabiati Sveta.

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, Eynshteyn (1905) Plankning kvant nazariyasini ishlab chiqayotib, nafaqat nurlanish va yutilish, balki yorug'likning tarqalishi ham energiya va momentum bo'lgan qismlarda (kvantalarda) sodir bo'ladi, degan g'oyani ilgari surdi:

to'lqin vektori bo'ylab yo'naltirilgan birlik vektor qayerda. Eynshteyn metallardagi fotoeffekt hodisasiga energiyaning saqlanish qonunini qo‘llagan holda quyidagi formulani taklif qildi:

, (1)

bu yerda metalldan elektronning ish funksiyasi, fotoelektron tezligi. Eynshteynning fikricha, har bir kvant faqat bitta elektron tomonidan yutiladi va tushayotgan foton energiyasining bir qismi metall elektronning ish funktsiyasini bajarishga sarflanadi, qolgan qismi esa elektronga kinetik energiya beradi.

(1) dan kelib chiqadiki, metallarda fotoelektr effekti faqat da sodir bo'lishi mumkin, aks holda foton energiyasi metalldan elektronni chiqarish uchun etarli bo'lmaydi. Fotoelektr effekti ta'sirida yuzaga keladigan yorug'likning eng past chastotasi, shubhasiz, vaziyatdan aniqlanadi.

(2) shart bilan aniqlangan yorug'lik chastotasi fotoeffektning "qizil chegarasi" deb ataladi. "Qizil" so'zining fotoelektr effekti paydo bo'ladigan yorug'lik rangiga hech qanday aloqasi yo'q. Metallning turiga qarab, fotoelektr effektining "qizil chegarasi" qizil, sariq, binafsha, ultrabinafsha va boshqalarga mos kelishi mumkin.

Eynshteyn formulasi yordamida fotoeffektning boshqa qonuniyatlarini ham tushuntirish mumkin.

Faraz qilaylik, ya'ni anod va katod o'rtasida sekinlashtiruvchi potentsial mavjud. Agar elektronlarning kinetik energiyasi etarli bo'lsa, ular sekinlashtiruvchi maydonni engib, fototokni yaratadilar. Fotooqim sharti qondirilgan elektronlarni o'z ichiga oladi . Kechiktiruvchi potentsialning qiymati shartdan aniqlanadi

, (3)

bu erda chiqarilgan elektronlarning maksimal tezligi. Guruch. to'rtta.

(3) ni (1) ga almashtirib, biz hosil qilamiz

Shunday qilib, kechiktiruvchi potentsialning kattaligi intensivlikka bog'liq emas, balki faqat tushayotgan yorug'lik chastotasiga bog'liq.

Metalldan elektronlarning ish funksiyasi va Plank doimiysi tushayotgan yorug'lik chastotasiga bog'liqlik grafigini tuzish orqali aniqlanishi mumkin (4-rasm). Ko'rib turganingizdek, potentsial o'qdan kesilgan segment .

Yorug'lik intensivligi fotonlar soniga to'g'ridan-to'g'ri proportsional ekanligini hisobga olsak, tushayotgan yorug'lik intensivligining oshishi chiqariladigan elektronlar sonining ko'payishiga olib keladi, ya'ni fototokning ko'payishiga olib keladi.

Eynshteynning nometalllardagi fotoelektr effekti formulasi shaklga ega

.

Mavjudligi - bog'langan elektronni metall bo'lmaganlar ichidagi atomdan ajratish ishi - erkin elektronlar mavjud bo'lgan metallardan farqli o'laroq, metall bo'lmaganlarda elektronlar atomlarga bog'langan holatda bo'lishi bilan izohlanadi. Shubhasiz, yorug'lik metall bo'lmaganlarga tushganda yorug'lik energiyasining bir qismi atomdagi fotoelektr effektiga - elektronni atomdan ajratishga, qolgan qismi esa elektronning ish funktsiyasiga va kinetik energiya berishga sarflanadi. energiya elektronga.

O'tkazuvchan elektronlar o'z-o'zidan metallni sezilarli darajada tark etmaydi. Bu metall ular uchun potentsial quduqni ifodalashi bilan izohlanadi. Metallni faqat energiyasi sirtda mavjud bo'lgan potentsial to'siqni engish uchun etarli bo'lgan elektronlar uchun qoldirish mumkin. Ushbu to'siqni keltirib chiqaradigan kuchlar quyidagi kelib chiqishiga ega. Tashqi qatlamdan elektronni tasodifiy olib tashlash ijobiy ionlar panjara elektron qoldirgan joyda ortiqcha ko'rinishga olib keladi musbat zaryad. Bu zaryad bilan Kulon o'zaro ta'siri tezligi unchalik katta bo'lmagan elektronning orqaga qaytishiga olib keladi. Shunday qilib, alohida elektronlar har doim metall sirtini tark etadilar, undan bir necha atomlararo masofaga uzoqlashadilar va keyin orqaga buriladi. Natijada, metall nozik elektron buluti bilan o'ralgan. Bu bulut tashqi ion qatlami bilan birgalikda qoʻsh elektr qavatni hosil qiladi (5-rasm; doiralar - ionlar, qora nuqtalar - elektronlar). Bunday qatlamdagi elektronga ta'sir qiluvchi kuchlar metall ichiga yo'naltiriladi. Elektronni metalldan tashqi tomonga o'tkazishda bu kuchlarga qarshi bajarilgan ish elektronning potentsial energiyasini oshirishga ketadi (5-rasm).

Shunday qilib, potentsial energiya valent elektronlar metall ichida potentsial quduqning chuqurligiga teng qiymat bilan metalldan tashqarida kamroq bo'ladi (6-rasm). Energiyaning o'zgarishi bir necha atomlararo masofalar tartibida sodir bo'ladi, shuning uchun quduqning devorlarini vertikal deb hisoblash mumkin.

Elektronning potentsial energiyasi rasm. 6.

elektron joylashgan nuqtaning potensiali esa qarama-qarshi belgilarga ega. Bundan kelib chiqadiki, metall ichidagi potentsial uning yuzasiga bevosita yaqin joylashgan potensialdan .

Metallga ortiqcha musbat zaryad berish metallning sirtida ham, ichida ham potentsialni oshiradi. Elektronning potentsial energiyasi mos ravishda kamayadi (7-rasm, a).

a) b)

Cheksizlikdagi potentsial va potentsial energiya qiymatlari mos yozuvlar nuqtasi sifatida qabul qilinadi. Salbiy zaryadning kiritilishi metallning ichida va tashqarisida potentsialni pasaytiradi. Shunga ko'ra, elektronning potentsial energiyasi ortadi (7-rasm, b).

Metalldagi elektronning umumiy energiyasi potentsial va kinetik energiyalarning yig'indisidir. Da mutlaq nol o'tkazuvchanlik elektronlarining kinetik energiyasining qiymatlari Fermi darajasiga to'g'ri keladigan energiya noldan tortib to. Shaklda. sakkiz energiya darajalari O'tkazuvchanlik chiziqlari potentsial quduqqa yozilgan (nuqtali chiziqlar 0K da band bo'lmagan darajalarni ko'rsatadi). Metalldan tashqariga chiqish uchun turli elektronlarga turli energiyalar berilishi kerak. Demak, o'tkazuvchanlik zonasining eng past darajasida joylashgan elektronga energiya berilishi kerak; Fermi darajasidagi elektron uchun energiya yetarli .

Qattiq jismdan elektronni olib tashlash uchun unga berilishi kerak bo'lgan eng kichik energiya yoki suyuq tana vakuumga deyiladi ishdan chiqish. Metalldan elektronning ish funktsiyasi ifoda bilan aniqlanadi

Biz bu ifodani metallning harorati 0K deb taxmin qilib oldik. Boshqa haroratlarda ish funktsiyasi potentsial quduqning chuqurligi va Fermi darajasi o'rtasidagi farq sifatida ham aniqlanadi, ya'ni ta'rif (4) har qanday haroratga uzaytiriladi. Xuddi shu ta'rif yarimo'tkazgichlarga ham tegishli.

Fermi darajasi haroratga bog'liq. Bundan tashqari, termal kengayish tufayli atomlar orasidagi o'rtacha masofalarning o'zgarishi tufayli potentsial quduqning chuqurligi biroz o'zgaradi. Bu ish funktsiyasining ozgina haroratga bog'liq bo'lishiga olib keladi.

Ish funktsiyasi metall sirtining holatiga, xususan, uning tozaligiga juda sezgir. To'g'ri tanlangan rasm. sakkiz.

sirt qoplamasi, ish funktsiyasi sezilarli darajada kamayishi mumkin. Masalan, volfram yuzasiga gidroksidi tuproqli metal oksidi (Ca, Sr, Ba) qatlamini qo'llash ish funktsiyasini 4,5 eV dan (sof Vt uchun) 1,5 - 2 eV gacha kamaytiradi.

4. Ichki fotoelektr effekti

Yuqorida biz moddaning yoritilgan yuzasidan elektronlarning chiqishi va ularning boshqa muhitga, xususan, vakuumga o'tishi haqida gapirdik. Elektronlarning bunday emissiyasi deyiladi fotoelektron emissiya, lekin hodisaning o'zi tashqi fotoelektr effekti. U bilan bir qatorda amaliy maqsadlarda ham ma'lum va keng qo'llaniladi, deb atalmish ichki fotoelektr effekti, bunda, tashqi elektrondan farqli o'laroq, optik qo'zg'aluvchan elektronlar ikkinchisining neytralligini buzmasdan yoritilgan tananing ichida qoladi. Bunday holda, moddada zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi yoki ularning harakatchanligi o'zgaradi, bu o'zgarishga olib keladi elektr xususiyatlari unga tushayotgan yorug'lik ta'sirida materiya. Ichki fotoelektrik effekt faqat yarimo'tkazgichlar va dielektriklarga xosdir. Buni, xususan, bir hil yarimo'tkazgichlar yoritilganda ularning o'tkazuvchanligining o'zgarishi bilan aniqlash mumkin. Ushbu hodisaga asoslanib, fotoo'tkazuvchanlik yorug'lik qabul qiluvchilarning katta guruhi yaratildi va doimiy ravishda takomillashtirilmoqda - fotorezistorlar. Ular asosan selenid va kadmiy sulfiddan foydalanadilar.

Bir hil bo'lmagan yarimo'tkazgichlarda o'tkazuvchanlikning o'zgarishi bilan birga potentsial farqning shakllanishi ham kuzatiladi (foto - emf). Ushbu hodisa (fotovoltaik effekt) yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanligining bir xilligi tufayli optik qo'zg'aluvchan elektronlarni o'tkazuvchi o'tkazgich hajmining ichida fazoviy ajralish mavjudligi bilan bog'liq. manfiy zaryad va elektronlar uzilib qolgan atomlarga bevosita yaqin joyda paydo bo'ladigan mikrozonalar (teshiklar) va zarrachalar kabi ijobiy ta'sir ko'rsatadi. elementar zaryad. Yarimo'tkazgichning turli uchlarida elektronlar va teshiklar to'plangan, buning natijasida elektromotor kuch, buning yordamida u tashqi emfni qo'llamasdan ishlab chiqariladi. elektr toki yoritilgan yarimo'tkazgich bilan parallel ravishda bog'langan yukda. Shu tarzda yorug'lik energiyasini to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantirishga erishiladi. Aynan shuning uchun fotovoltaik yorug'lik qabul qiluvchilar nafaqat yorug'lik signallarini, balki elektr zanjirlarida elektr energiyasi manbalari sifatida ham qo'llaniladi.

Bunday qabul qiluvchilarning asosiy sanoat turlari selen va kumush sulfid asosida ishlaydi. Kremniy, germaniy va bir qator birikmalar - GaAs, InSb, CdTe va boshqalar ham juda keng tarqalgan. Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish uchun ishlatiladigan fotovoltaik hujayralar, ayniqsa, keng tarqalgan. kosmik tadqiqotlar bort quvvat manbalari sifatida. Ular nisbatan yuqori ko'rsatkichga ega foydali harakat(20% gacha), avtonom parvozda juda qulay kosmik kema. Zamonaviy quyosh batareyalarida, yarimo'tkazgich materialiga qarab, foto - emf. 1 - 2 V ga etadi, oqimni olib tashlash - bir necha o'n milliamperga va 1 kg massa uchun chiqish quvvati yuzlab vattga etadi.

5. Fotoelektrik effekt hodisasini qo'llash

Hozirgi vaqtda tashqi va ichki fotoelektr effekti asosida yorug'lik signalini elektr va kombinatsiyalangan signalga aylantiradigan son-sanoqsiz radiatsiya qabul qiluvchilar qurilmoqda. umumiy ism – fotoelementlar. Ular muhandislikda keng qo'llaniladi va ilmiy tadqiqot. Turli xil ob'ektiv optik o'lchovlarni bizning davrimizda u yoki bu turdagi fotosellardan foydalanmasdan tasavvur qilib bo'lmaydi. Spektrning eng keng diapazonida zamonaviy fotometriya, spektrometriya va spektrofotometriya, moddaning spektral tahlili, kuzatilgan juda zaif yorug'lik oqimlarini ob'ektiv o'lchash, masalan, spektrlarni o'rganishda Ramanning tarqalishi yorug'lik, astrofizika, biologiya va boshqalarda fotoelementlarsiz tasavvur qilish qiyin; infraqizil spektrlarni ro'yxatga olish ko'pincha spektrning uzun to'lqinli mintaqasi uchun maxsus fotosellar tomonidan amalga oshiriladi. Fotoelementlar texnologiyada juda keng qo'llaniladi: ishlab chiqarish jarayonlarini boshqarish va boshqarish, tasvirni uzatish va televideniedan lazerlarda optik aloqa va kosmik texnologiyalargacha bo'lgan turli xil aloqa tizimlari zamonaviy sanoat va aloqa sohasidagi eng xilma-xil texnik masalalarning to'liq ro'yxatidan uzoqdir.

Fotoelementlarning yaratilish tarixi 130 yildan ortiq. Ichki fotoelektr effektiga asoslangan va fotoo'tkazuvchanlik hodisasidan foydalangan holda birinchi fotoelektrik hujayra 1875 yilda qurilgan. vakuumli fotosel, tashqi fotoelektr effektiga asoslangan, 1889 yilda qurilgan. sanoat ishlab chiqarish Rossiyada vakuum fotosellari P.V. Timofeev 1930-yilda. Shunisi qiziqki, tashqi fotoelektr effektidan foydalanadigan fotoelementlar avvalroq keng ishlab chiqilgan, garchi ichki fotoelektr effekti kamida 50 yil avval kashf etilgan. Faqat bizning asrimizning 40-yillarida yarimo'tkazgichlar fizikasining jadal rivojlanishi va ichki fotoelektr effektini batafsil o'rganish tufayli yarim o'tkazgich materiallari asosida yangi fotoelementlar yaratila boshlandi.

Fotoelementlar yordamida hal qilinadigan vazifalarning xilma-xilligi turli xil texnik xususiyatlarga ega bo'lgan juda ko'p turdagi fotoelementlarning paydo bo'lishiga olib keldi. Har bir aniq vazifani hal qilish uchun fotoelementlarning optimal turini tanlash ushbu xususiyatlarni bilishga asoslanadi. Tashqi fotoelektr effektli fotoelementlar (vakuumli fotoelementlar) uchun quyidagi xususiyatlarni bilish talab qilinadi: spektrning ishchi hududi; spektral sezgirlikning nisbiy xarakteristikasi (u monoxromatik yoritishda spektral sezgirlikning ushbu xarakteristikaning maksimal darajasidagi sezgirligiga nisbati o'lchovsiz qiymatining tushayotgan yorug'lik to'lqin uzunligiga bog'liqligi sifatida tuzilgan); integral sezuvchanlik (fotoelement standart yorug'lik manbai bilan yoritilganda aniqlanadi); kvant rentabelligi qiymati (chiqarilgan fotoelektronlar sonining fotokatodga tushgan fotonlar soniga nisbati); inersiya (vakuumli fotoelementlar uchun odatda elektronlarning fotokatoddan anodga uchish vaqti orqali aniqlanadi). Muhim parametr, shuningdek, fotoelementning qorong'i oqimi bo'lib, u xona haroratida fotokatodning termal emissiyasi va qochqin oqimining yig'indisidir.

Fotokatodning materialiga va fotoselli lampochkaning materialiga qarab, ular 0,2 - 1,1 mkm oralig'ida ishlatilishi mumkin. Ularning integral sezuvchanligi 1 lm yorug'lik oqimi uchun 20 - 100 mkA, issiqlik emissiyasi esa - ichida. . Vakuumli fotoelementlarning juda muhim afzalligi ularning yuqori doimiyligi va yorug'lik oqimining fototok bilan bog'lanishining chiziqliligidir. Shuning uchun uzoq vaqt davomida ular asosan ob'ektiv fotometriya, spektrometriya, spektrofotometriya va spektrning ko'rinadigan ultrabinafsha mintaqasida spektral tahlilda qo'llanilgan. Yorug'lik o'lchovlari uchun vakuumli fotosellarning asosiy kamchiliklari ushbu yorug'lik qabul qiluvchilar tomonidan ishlab chiqarilgan elektr signallarining kichikligi hisobga olinishi kerak. Oxirgi kamchilik fotoko'paytiruvchi naychalarda (PMT) butunlay yo'q qilinadi, bu xuddi fotosellarning rivojlanishini anglatadi. PMTlar birinchi marta 1934 yilda qurilgan.

Guruch. 9. Fotoko'paytiruvchi qurilmaning sxemasi

PMT ning ishlash prinsipini 9-rasmda ko‘rish mumkin. elektr maydoni, tezlashtirilgan va birinchi oraliq elektrodga tushadi. Unga tushib, fotoelektronlar ikkilamchi elektronlarning emissiyasini keltirib chiqaradi va ma'lum sharoitlarda bu ikkilamchi emissiya fotoelektronlarning dastlabki oqimidan bir necha marta oshib ketishi mumkin. Elektrodlarning konfiguratsiyasi shundayki, fotoelektronlarning ko'p qismi elektrodga, ikkilamchi elektronlarning ko'p qismi esa keyingi elektrodga tushadi, bu erda ko'payish jarayoni takrorlanadi va hokazo.anod. Bunday tizimlarning umumiy daromadi ga etadi va PMT ning integral sezgirligi har bir lümen uchun minglab amperga etadi. Bu, albatta, katta oqimlarni olish imkoniyatini anglatmaydi, faqat kichik yorug'lik oqimlarini o'lchash imkoniyatini ko'rsatadi.

Shubhasiz, vakuumli fotoelementlar bilan bir xil texnik xususiyatlar, shuningdek, daromad va uning ta'minot kuchlanishiga bog'liqligi PMTni to'liq tavsiflaydi. Hozirgi vaqtda ikkinchisi hamma joyda vakuumli fotoelementlarni almashtirmoqda. PMTlarning kamchiliklari orasida yuqori kuchlanishli va barqarorlashtirilgan elektr ta'minotidan foydalanish zarurati, sezgirlik barqarorligi biroz yomonroq va yuqori shovqin mavjud. Biroq, fotokatodlarni sovutishni qo'llash va chiqish oqimini emas, balki har biri bitta fotoelektronga to'g'ri keladigan impulslar sonini o'lchash orqali bu kamchiliklarni katta darajada bostirish mumkin.

Tashqi fotoelektr effektidan foydalanadigan barcha yorug'lik qabul qiluvchilarning katta afzalligi shundaki, yuk o'zgarganda ularning fototoklari o'zgarmaydi. Bu shuni anglatadiki, fototokning past qiymatlarida deyarli o'zboshimchalik bilan katta yuk qarshiligini qo'llash mumkin va shu bilan u bo'ylab yozib olish va kuchaytirish uchun qulay bo'lgan kuchlanish pasayishiga erishish mumkin. Boshqa tomondan, qarshilikni sig'im bilan almashtirib, ushbu sig'imdagi kuchlanishni o'lchash orqali ma'lum vaqt oralig'ida yorug'lik oqimining o'rtacha qiymatiga mutanosib qiymatni olish mumkin. Ikkinchisi beqaror yorug'likdan yorug'lik oqimini o'lchash zarur bo'lgan hollarda juda muhimdir - bu spektral tahlil o'lchovlari uchun xos bo'lgan vaziyat.

Spektrning infraqizil hududida spektrometriyani vakuumli fotoelementlar va fotoko'paytirgichlar yordamida amalga oshirib bo'lmaydi, chunki zamonaviy fotokatodlarning qizil chegarasi 1100 nm dan oshmaydi. Biroq, 3-4 mkm gacha oldinga siljish imkonini beradigan materiallar allaqachon ma'lum. Shuning uchun infraqizil mintaqada ichki fotoelektrik effekt asosida ishlaydigan fotoelementlar qo'llaniladi. Bularga InSb, PbSe va PbS asosidagi sovutilmagan fotorezistorlar kiradi, ular 6 mkm gacha ishlatilishi mumkin va 40 mkm gacha bo'lgan oltin, rux, mis va boshqa metallar bilan qo'shilgan germaniy asosidagi chuqur sovutilgan fotorezistorlar.

Spektrning uzunroq to'lqin uzunligi hududida o'lchovlar uchun termal qabul qiluvchilar qo'llaniladi; ikkinchisi ularning o'tkazuvchanligini o'zgartiradi yoki ularda emf hosil bo'ladi. tushgan nurlanish bilan qizdirilganda.

Yarimo'tkazgichli fotoelementlar elektr signali kattaligining yorug'likka bog'liqligining qat'iy chiziqliligi bilan tavsiflanmaydi. Ushbu kamchilik, shuningdek, fotoelementning sezgirligining o'zgaruvchanligi, uning quvvat manbaining beqarorligi va o'lchash pallasining kuchayishining siljishi ikki nurli tizim yordamida yo'q qilinadi, bunda mutlaq qiymat emas. yutuvchi modda orqali o'tadigan yorug'likning intensivligi o'lchanadi, lekin uning shaffof manba yorug'ligining intensivligiga nisbati.

Haddan tashqari katta raqamlar Fotosellardan foydalanilgan hollarda ularning o'lchash xususiyatlariga qat'iy talablar qo'yilmaydi. Shu sababli, ichki fotoelektrik effekt asosida ishlaydigan fotoelementlar kichik o'lchamlari, past kuchlanish kuchlanishlari va bir qator dizayn afzalliklari tufayli avtomatik tizimlar, boshqaruv tizimlari, quyosh energiyasini konversiyalash, ishlab chiqarishni boshqarish va boshqalar uchun keng qo'llaniladi. bu fotoelementlarning nisbatan past inertial xossalari ulardan foydalanishga xalaqit beradigan holatlar uchun.

Adabiyotlar ro'yxati

1. Landsberg G.S. Optika. Proc. nafaqa. - 5-nashr. to'g'ri – M.: Fan. Fizika-matematika adabiyotining bosh nashri, 1976. - 928 b.

2. Godjaev N.M. Optika. Proc. universitetlar uchun nafaqa. - M .: " magistratura", 1977. - 432 b.

3. Shpolskiy E.V. Atom fizikasi. 1-jild: Atom fizikasiga kirish. Qo'llanma. - 7-nashr. tuzatilgan – M.: Fan. Fizika-matematika adabiyotining bosh nashri, 1984. - 552 b.

4. Saveliev I.V. Umumiy fizika kursi: Proc. nafaqa. 3 jildda T. 3. Kvant optikasi. Atom fizikasi. Fizika qattiq tana. Fizika atom yadrosi va elementar zarralar. - 3-nashr. to'g'ri – M.: Nauka, Ch. ed. jismoniy - mat. lit., 1987. - 320 b.

5. Gershenzon E.M., Malov N.N., Mansurov A.N. Optika va atom fizikasi: Proc. talabalar uchun nafaqa. yuqoriroq ped. darslik muassasalar. - M.: "Akademiya" nashriyot markazi, 2000. - 408 b.

fotoelektrik effekt 1887 yilda nemis fizigi G. Gerts tomonidan kashf etilgan va 1888-1890 yillarda A. G. Stoletov tomonidan eksperimental o‘rganilgan. Fotoeffekt hodisasini eng toʻliq oʻrganishni 1900-yilda F.Lenard olib bordi.Bu vaqtga kelib elektron allaqachon kashf qilingan (1897, J.Tomson) va fotoelektr effekti (yoki, aniqrog'i, tashqi fotoelektrik effekt) materiyaga tushadigan yorug'lik ta'sirida elektronlarni tortib olishdan iborat.

Fotoelektrik effektni o'rganish uchun eksperimental qurilmaning sxemasi rasmda ko'rsatilgan. 5.2.1.

Tajribalarda sirti yaxshilab tozalangan ikkita metall elektrodli shisha vakuumli idish ishlatilgan. Elektrodlarga kuchlanish o'rnatildi U, uning qutblari ikki tugma yordamida o'zgartirilishi mumkin. Elektrodlardan biri (katod K) ma'lum bir to'lqin uzunligi l bo'lgan monoxromatik yorug'lik bilan kvarts oynasi orqali yoritilgan. Doimiy yorug'lik oqimida fototokning kuchiga bog'liqligi olingan I qo'llaniladigan kuchlanishdan. Shaklda. 5.2.2 katodga tushgan yorug'lik oqimi intensivligining ikki qiymati uchun olingan bunday bog'liqlikning tipik egri chiziqlarini ko'rsatadi.

Egri chiziqlar shuni ko'rsatadiki, A anodidagi etarlicha yuqori musbat kuchlanishlarda fototok to'yinganlikka etadi, chunki katoddan yorug'lik bilan chiqarilgan barcha elektronlar anodga etib boradi. Ehtiyotkorlik bilan o'tkazilgan o'lchovlar to'yinganlik oqimini ko'rsatdi I n tushayotgan yorug'likning intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Anoddagi kuchlanish manfiy bo'lsa, katod va anod orasidagi elektr maydoni elektronlarni sekinlashtiradi. Anod faqat kinetik energiyasi | dan ortiq bo'lgan elektronlarga etib borishi mumkin EI|. Agar anod kuchlanishi - dan past bo'lsa U h, fototok to'xtaydi. o'lchash U h, fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasini aniqlash mumkin:

Olimlarni hayratda qoldiradigan qiymat U h tushayotgan yorug'lik oqimining intensivligidan mustaqil bo'lib chiqdi. Ehtiyotkorlik bilan o'tkazilgan o'lchovlar shuni ko'rsatdiki, blokirovka potentsiali yorug'likning n chastotasining ortishi bilan chiziqli ravishda oshadi (5.2.3-rasm).

Ko'pgina tajribachilar fotoelektr effektining quyidagi asosiy qonunlarini o'rnatdilar:

1. Fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug'lik chastotasi n ortishi bilan chiziqli ravishda ortadi va uning intensivligiga bog'liq emas.

2. Har bir modda uchun deb atalmish mavjud qizil chegara foto effekti , ya'ni tashqi fotoelektr effekti hali ham mumkin bo'lgan eng past chastotali n min.

3. 1 s ichida katoddan yorug'lik ta'sirida chiqarilgan fotoelektronlarning soni yorug'lik intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proporsionaldir.

4. Fotoelektr effekti amalda inersiyasiz, yorugʻlik chastotasi n > n min boʻlishi sharti bilan fototok katod yoritilishi boshlangandan soʻng bir zumda sodir boʻladi.

Fotoelektrik effektning barcha bu qonunlari yorug'likning materiya bilan o'zaro ta'siri haqidagi klassik fizikaning g'oyalariga tubdan zid edi. To'lqin tushunchalariga ko'ra, elektromagnit yorug'lik to'lqini bilan o'zaro ta'sirlashganda, elektron asta-sekin energiya to'plashi kerak va elektronning katoddan uchib chiqish uchun etarli energiya to'plashi uchun yorug'lik intensivligiga qarab ancha vaqt kerak bo'ladi. . Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, bu vaqtni daqiqalar yoki soatlar bilan hisoblash kerak edi. Biroq, tajriba shuni ko'rsatadiki, fotoelektronlar katodning yoritilishi boshlangandan so'ng darhol paydo bo'ladi. Ushbu modelda fotoeffektning qizil chegarasi mavjudligini tushunish ham mumkin emas edi. to'lqin nazariyasi yorug'likning yorug'lik oqimining intensivligidan fotoelektron energiyasining mustaqilligini va maksimal kinetik energiyaning yorug'lik chastotasiga mutanosibligini tushuntira olmadi.

Shunday qilib, elektromagnit nazariya yorug'lik bu naqshlarni tushuntira olmadi.

Buning yo‘lini 1905-yilda A.Eynshteyn topdi.Fotoeffektning kuzatilgan qonuniyatlarining nazariy izohini Eynshteyn M.Plankning yorug‘lik ma’lum qismlarda chiqariladi va yutilishi haqidagi gipotezasi va har birining energiyasiga asoslanib berdi. bunday qism formula bilan aniqlanadi E = h v, qaerda h Plank doimiysi. Eynshteyn kvant tushunchalarini ishlab chiqishda navbatdagi qadamni qo'ydi. U shunday xulosaga keldi yorug'lik uzluksiz (diskret) tuzilishga ega. Elektromagnit to'lqin alohida qismlardan - kvantlardan iborat, keyinchalik nomi berilgan fotonlar. Modda bilan o'zaro ta'sirlashganda, foton butun energiyasini uzatadi h n bitta elektronga. Ushbu energiyaning bir qismi materiya atomlari bilan to'qnashuvda elektron tomonidan tarqalishi mumkin. Bundan tashqari, elektron energiyasining bir qismi metall-vakuum interfeysidagi potentsial to'siqni engib o'tishga sarflanadi. Buning uchun elektron qilish kerak ish funktsiyasi A katod materialining xususiyatlariga qarab. Katoddan chiqadigan fotoelektronning maksimal kinetik energiyasi energiyani tejash qonuni bilan aniqlanadi:

Bu formula deyiladi Fotoelektrik effekt uchun Eynshteyn tenglamasi .

Eynshteyn tenglamasidan foydalanib, siz barcha naqshlarni tushuntirishingiz mumkin tashqi fotoelektr effekti. Eynshteyn tenglamasidan quyidagicha chiziqli bog'liqlik chastota bo'yicha maksimal kinetik energiya va yorug'lik intensivligiga bog'liqlik, qizil chegara mavjudligi, inersiyasiz fotoelektr effekti. Umumiy soni katod yuzasidan 1 soniyada chiqib ketadigan fotoelektronlar bir vaqtning o'zida sirtga tushgan fotonlar soniga mutanosib bo'lishi kerak. Bundan kelib chiqadiki, to'yinganlik oqimi yorug'lik oqimining intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional bo'lishi kerak.

Eynshteyn tenglamasidan kelib chiqqan holda, blokirovka potentsialining bog'liqligini ifodalovchi to'g'ri chiziqning qiyaligi U n chastotasidan h (5.2.3-rasm), Plank doimiysi nisbatiga teng. h elektronning zaryadiga e:

Bu Plank doimiysining qiymatini eksperimental ravishda aniqlash imkonini beradi. Bunday o'lchovlar 1914 yilda R. Millikan tomonidan amalga oshirilgan va Plank tomonidan topilgan qiymat bilan yaxshi kelishuvga erishgan. Ushbu o'lchovlar ish funktsiyasini aniqlashga ham imkon berdi A:

qayerda c- yorug'lik tezligi, l cr - fotoelektrik effektning qizil chegarasiga mos keladigan to'lqin uzunligi. Ko'pgina metallar uchun ish funktsiyasi A bir necha elektron volt (1 eV = 1,602 10 -19 J) dir. DA kvant fizikasi Elektron volt ko'pincha energiya o'lchov birligi sifatida ishlatiladi. Plank konstantasining sekundiga elektron voltlarda ifodalangan qiymati

Metallar orasida ishqoriy elementlar eng kam ish funksiyasiga ega. Masalan, natriy A= 1,9 eV, bu fotoelektr effektining qizil chegarasiga to'g'ri keladi lcr ≈ 680 nm. Shuning uchun ulanishlar ishqoriy metallar katodlarni yaratish uchun ishlatiladi fotoelementlar ko'rinadigan yorug'likni aniqlash uchun mo'ljallangan.

Shunday qilib, fotoeffekt qonunlari shuni ko'rsatadiki, yorug'lik chiqarilganda va yutilganda o'zini zarrachalar oqimi kabi tutadi. fotonlar yoki yorug'lik kvantlari .

Foton energiyasi

bundan kelib chiqadiki, foton impulsga ega

Shunday qilib, yorug'lik haqidagi ta'limot ikki asr davom etgan inqilobni yakunlab, yana yorug'lik zarralari - korpuskulalar haqidagi g'oyalarga qaytdi.

Ammo bu Nyutonning korpuskulyar nazariyasiga mexanik qaytish emas edi. 20-asrning boshlarida yorug'lik ikki tomonlama xususiyatga ega ekanligi ma'lum bo'ldi. Yorug'lik tarqalganda uning to'lqin xossalari (interferentsiya, difraksiya, qutblanish), materiya bilan o'zaro ta'sirlashganda esa korpuskulyar (fotoelektrik effekt) paydo bo'ladi. Yorug'likning bu ikki tomonlama tabiati deyiladi to'lqin-zarralar ikkiligi Lomonosov bu haqda gapirgan. Keyinchalik elektronlar va boshqa elementar zarralarda ikki tomonlama tabiat aniqlandi. Klassik fizika mikroob'ektlarning to'lqin va korpuskulyar xossalari kombinatsiyasining vizual modelini bera olmaydi. Mikro jismlarning harakati klassik Nyuton mexanikasi qonunlari bilan emas, balki kvant mexanikasi qonunlari bilan boshqariladi. M. Plank tomonidan ishlab chiqilgan butunlay qora jismning nurlanish nazariyasi va kvant nazariyasi fotoelektrik effekt Eynshteyn ushbu zamonaviy ilm-fanning poydevorida yotadi.

1900 yilda nemis fizigi Maks Plank yorug'lik alohida qismlarda - kvantlarda (yoki fotonlarda) chiqariladi va so'riladi, deb faraz qildi. Har bir fotonning energiyasi formula bilan aniqlanadi E= h ν , qayerda h- Plank doimiysi, 6,63 10 -34 Js ga teng, ν yorug'lik chastotasi. Plank gipotezasi ko'plab hodisalarni tushuntirib berdi: xususan, 1887 yilda nemis olimi Geynrix Gerts tomonidan kashf etilgan va rus olimi A. G. Stoletov tomonidan eksperimental o'rganilgan fotoelektrik effekt hodisasi.

fotoelektrik effekt - Bu yorug'lik ta'sirida moddaning elektronlarni chiqarish hodisasidir.

Tadqiqotlar natijasida fotoelektr effektining uchta qonuni aniqlandi.

1. To'yingan oqimning kuchi tananing yuzasiga tushadigan yorug'lik nurlanishining intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

2. Fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug'lik chastotasi bilan chiziqli ravishda ortadi va uning intensivligiga bog'liq.

3. Agar yorug'lik chastotasi ma'lum bir modda uchun belgilangan ma'lum bir minimal chastotadan kam bo'lsa, u holda fotoelektr effekti yuzaga kelmaydi.

Fototokning kuchlanishga bog'liqligi 36-rasmda ko'rsatilgan.

Fotoeffekt nazariyasi nemis olimi A. Eynshteyn tomonidan 1905 yilda yaratilgan. Eynshteyn nazariyasi metalldan elektronlarning ish funktsiyasi tushunchasi va kontseptsiyaga asoslanadi. kvant nurlanishi Sveta. Eynshteyn nazariyasiga ko'ra, fotoelektr effekti quyidagi tushuntirishga ega: yorug'lik kvantini yutib, elektron energiya oladi. hv. Metallni tark etganda, har bir elektronning energiyasi ma'lum miqdorda kamayadi, bu deyiladi ish funktsiyasi(A chiqib). Ish funktsiyasi metalldan elektronni olib tashlash uchun zarur bo'lgan ishdir. Maksimal energiya elektronlar qochishdan keyin (agar boshqa yo'qotishlar bo'lmasa) quyidagi shaklga ega: mv 2/2 \u003d hv - A chiqish, Bu tenglama deyiladi Eynshteyn tenglamalari.

Agar a hn< Va keyin fotoelektrik effekt sodir bo'lmaydi. Ma'nosi, qizil chegara foto effekti ga teng n min = A chiqish / soat

Fotoelektrik effekt hodisasi deb ataladigan ishlash printsipiga asoslangan qurilmalar fotoelementlar. Eng oddiy bunday qurilma vakuumli fotoseldir. Bunday fotoselning kamchiliklari quyidagilardan iborat: zaif oqim, uzoq to'lqinli nurlanishga nisbatan past sezuvchanlik, ishlab chiqarishdagi murakkablik, sxemalarda foydalanishning mumkin emasligi o'zgaruvchan tok. Fotometriyada yorugʻlik intensivligini, yorqinligini, yoritilishini oʻlchashda, kinoda tovushni takrorlashda, fototelegraf va fototelefonlarda, ishlab chiqarish jarayonlarini boshqarishda qoʻllaniladi.

Yorug'lik ta'sirida tok tashuvchilarning konsentratsiyasi o'zgarib turadigan yarimo'tkazgichli fotoelementlar mavjud.Ular elektr zanjirlarini avtomatik boshqarishda (masalan, metro turniketlarida), o'zgaruvchan tok zanjirlarida, soatlarda, mikrokalkulyatorlarda qayta tiklanmaydigan tok manbalari sifatida ishlatiladi. , birinchi quyosh avtomobillari sinovdan o'tkazilmoqda, da qo'llanilmoqda quyosh panellari ustida sun'iy yo'ldoshlar Yer, sayyoralararo va orbital avtomatik stansiyalar.

Fotoelektrik effekt hodisasi fotomateriallarda yorugʻlik taʼsirida sodir boʻladigan fotokimyoviy jarayonlar bilan bogʻliq.

Ishning maqsadi

Kristalli yarim o'tkazgich fotoo'tkazuvchanligining spektral bog'liqligini o'lchash.

Ichki fotoelektr effekti

Ichki fotoelektrik effekt - yorug'lik ta'sirida yarim o'tkazgichning ionlanishining ta'siri bo'lib, qo'shimcha muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning paydo bo'lishiga olib keladi. Ichki fotoelektr ta'siridan kelib chiqadigan qo'shimcha o'tkazuvchanlik fotoo'tkazuvchanlik deb ataladi.

Ichki fotoelektr effekti bilan asosiy jarayon- elektronni qo'zg'atish uchun etarli energiyaga ega bo'lgan fotonning o'tkazuvchanlik zonasiga (1-rasmdagi 1 va 2-o'tishlar) yoki yarim o'tkazgichning tarmoqli oralig'ida joylashgan mahalliy energiya darajalariga (1-rasmda 3-o'tish) yutilishi. 1-o'tish elektron-teshik juftligining shakllanishiga olib keladi, 2 va 3-o'tishlar esa faqat bitta belgining tashuvchilari shakllanishiga olib keladi.

Agar elektronlarning optik qo'zg'alishi valentlik zonasidan o'tkazuvchanlik zonasigacha sodir bo'lsa, u holda ikkala belgining tashuvchilari tomonidan yaratilgan ichki fotoo'tkazuvchanlik kuzatiladi. Bunday holda, aniqki, foton energiyasi hy yarim o'tkazgichning tarmoqli bo'shlig'idan (hy>DO) kam bo'lmasligi kerak.

Kristal panjara uchun to'g'ridan-to'g'ri va bilvosita optik o'tishlarga to'g'ri keladigan K umumiy to'lqin sonining saqlanish qonuni amal qiladi. Agar elektronning o'tishi foton va elektronning o'zaro ta'siri paytida amalga oshirilsa, u holda to'g'ridan-to'g'ri (vertikal) optik o'tish sodir bo'ladi (o'tish 1, 2-rasm). Biroq, kristall panjarada murakkabroq jarayonning ham muhim ehtimoli bor: foton, elektron va fononning o'zaro ta'siri (kristal panjarasining tebranishlari kvanti). Bunday o'zaro ta'sir natijasida elektron asosan foton energiyasini oladi va fonon tufayli uning to'lqin sonini o'zgartiradi (o'tish 2, 2-rasm). Bunday o'tishlar bilvosita (vertikal bo'lmagan) optik o'tishlar deb ataladi.

2-rasm -

Murakkab energiya bandi mavjud bo'lganda, to'g'ridan-to'g'ri optik o'tishlar termal o'tishlarning energiyasidan kattaroq energiyaga mos kelishi mumkin. Bilvosita optik o'tishlar ehtimoli to'g'ridan-to'g'ri o'tish ehtimolidan kamroq bo'lganligi sababli, to'g'ridan-to'g'ri o'tishlarga mos keladigan foton energiyasining yutilish spektrlari yutilishning ko'proq yoki kamroq keskin o'sishini va natijada fotoo'tkazuvchanlikni ko'rsatishi kerak.

Har doim aniq belgilangan uzun to'lqinlar chegarasiga ega bo'lgan ichki yutilish zonasi printsipial jihatdan qisqa to'lqinli chegaraga ham ega bo'lishi mumkin. Biroq, ko'p hollarda, o'tkazuvchanlik zonasi, hosil bo'ladigan ruxsat etilgan chiziqlar bilan qoplangan uzluksiz spektr. Shuning uchun, yutilish spektri va ichki fotoelektrik effektning spektral bog'liqligi qisqa to'lqin uzunliklari mintaqasiga juda uzoqqa cho'ziladi. Shu bilan birga, yuqori foton energiyalarida (hy > 2DO) elektronning o'tkazuvchanlik zonasiga fotoo'tishi zarba ionlashuvining ta'siri bilan birga bo'lishi mumkin, bu esa bir nechta elektron va teshiklarning chiqishiga olib keladi. Shunday qilib, ichki fotoelektrik effekt nazariyasi faqat spektrning ma'lum bir mintaqasida ichki yutilish zonasining uzun to'lqinli chetiga yaqin bo'lgan yutilish nazariyasiga tushiriladi.

Fotoo'tkazuvchanlik

Etarli darajada yuqori energiyali fotonlar bilan o'zaro ta'sir qilish natijasida hosil bo'lgan muvozanatsiz elektronlar va teshiklar ionlanish jarayonidan so'ng darhol kattalik tartibida kT ga teng bo'lgan muvozanat tashuvchilarning o'rtacha energiyasidan ancha yuqori energiyaga ega bo'lishi mumkin. Biroq, fotonlar va kristall panjara nuqsonlari bilan o'zaro ta'sir qilish natijasida muvozanatsiz zaryad tashuvchilar tezda panjara haroratiga ega bo'ladilar va ularning energiyasi muvozanat zaryad tashuvchilarning o'rtacha issiqlik energiyasiga teng bo'ladi. Bu jarayon 10 -10 sekund oralig'ida sodir bo'ladi, bu zaryad tashuvchilarning bo'shashish vaqti deb ataladi. Qoidaga ko'ra, muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning ishlash muddati bu qiymatdan sezilarli darajada oshadi, 10 -2 - 10 -7 sekundni tashkil qiladi va shuning uchun rekombinatsiyadan oldingi umrning ko'p qismi ularning kinetik energiyasi muvozanat zaryad tashuvchilarning o'rtacha issiqlik energiyasiga to'g'ri keladi. . Shuning uchun, biz zonalarda muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning energiya taqsimoti muvozanatlilar bilan bir xil deb taxmin qilishimiz mumkin. Bu shuni anglatadiki, muvozanat bo'lmagan tashuvchilarning harakatchanligi m muvozanatdagilarning harakatchanligidan farq qilmaydi, chunki elektronlarning harakatchanligi m n va teshiklar m p zaryad tashuvchilarning panjara bilan o'zaro ta'siri tabiati bilan belgilanadi va xususan, tashuvchilarning energiya taqsimoti bo'yicha.

Shunday qilib, yorug'lik ta'sirida zaryad tashuvchilarning paydo bo'lishi yarimo'tkazgichning elektr o'tkazuvchanligi s ning o'zgarishiga olib keladi, bu muvozanat bo'lmagan elektronlar Dn va Dp teshiklari mavjud bo'lganda, quyidagicha yozilishi mumkin:

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

bu erda n 0 va p 0 - muvozanat elektronlari va teshiklarning kontsentratsiyasi.

Haddan tashqari (muvozanat bo'lmagan o'tkazuvchanlik), yorug'lik mavjudligi (lar) va yo'qligi (s 0)dagi yarim o'tkazgichlarning o'tkazuvchanligidagi farqga teng, foto o'tkazuvchanlik (s f):

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

Tabiiyki, muvozanatsiz Dn va Dp tashuvchilarning kontsentratsiyasi yarimo'tkazgichning yorug'lik intensivligi va davomiyligiga bog'liq.

Yoritish ta'sirida zaryad tashuvchilarning hosil bo'lish tezligini Dn' va Dp' deb belgilaymiz. Shubhasiz, Dn' va Dp' vaqt birligida yarimo'tkazgichning birlik hajmiga so'rilgan yorug'lik energiyasiga mutanosib bo'lishi kerak. Agar dx qalinlikdagi qatlamning monoxromatik yoritilishi intensivligi j ga, yorug'lik yutilish koeffitsienti esa k ga teng bo'lsa, vaqt birligida hajm birligiga yutiladigan yorug'lik energiyasi miqdori:

Shunday qilib, tashuvchining hosil bo'lish tezligi Dn' va Dp' kj qiymatiga proportsionaldir. Asosiy yutilish mintaqasi uchun

Dn'=Dp'=bkj.

Proportsionallik koeffitsienti b kvant rentabellik koeffitsienti deb ataladi, chunki u bitta yutilgan yorug'lik kvantidan hosil bo'lgan zaryad tashuvchilar juftlarining sonini (yoki nopoklik fotoo'tkazuvchanligi holatida zaryad tashuvchilarning sonini) aniqlaydi, agar yorug'lik intensivligi j bilan o'lchansa. soniyada fotonlar soni. Odatda kvant rentabellik koeffitsienti b birlikdan oshmaydi.

Yarimo'tkazgich doimiy intensivlikdagi yorug'lik bilan doimiy ravishda yoritilsa, muvozanatsiz zaryad tashuvchilar Dn va Dp ning doimiy konsentratsiyasi bilan tavsiflangan statsionar holat o'rnatiladi. Keling, Dn va Dp ning t vaqtiga bog'liqligini topamiz va yorug'lik intensivligi namunaning butun hajmi bo'ylab doimiy bo'lib, zaryadning bir xil hosil bo'lishiga olib keladigan deb faraz qilib, muvozanatsiz zaryad tashuvchilar kontsentratsiyasining statsionar qiymatlarini aniqlaymiz. tashuvchilar.

Yoritish boshlangandan so'ng darhol yorug'likning muvozanatsiz zaryad tashuvchilari konsentratsiyasi ortib borishi bilan, muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi ortishi bilan rekombinatsiya jarayonining intensivligi oshib boradi. Muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning hosil bo'lish tezligi doimiy yorug'lik intensivligida o'zgarmasligi sababli, rekombinatsiya intensivligi tez orada tashuvchini yaratish jarayonining intensivligiga etadi va muvozanatsiz fototashuvchilar kontsentratsiyasining barqaror holati o'rnatiladi.

Vaqt birligida muvozanatsiz tashuvchilar kontsentratsiyasining o'zgarishi tashuvchilarning hosil bo'lish va rekombinatsiya tezligi o'rtasidagi farqdir:

Ushbu tenglamaning o'ng tomonidagi ikkinchi muddat rekombinatsiya jarayoni natijasida ozchilik zaryad tashuvchilar konsentratsiyasining pasayishini hisobga oladi. Rekombinatsiyaning intensivligini muvozanatsiz tashuvchilarning kontsentratsiyasiga mutanosib deb hisoblash mumkin, agar muvozanat bo'lmagan tashuvchilarning ishlash muddati (elektronlar va teshiklar uchun bir xil) t ularning konsentratsiyasiga bog'liq bo'lmasa.

Bu holat muvozanatli bo'lmagan Dn, Dp tashuvchilarning konsentratsiyasi muvozanat asosiy zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasiga nisbatan kichik bo'lganda amalga oshiriladi (masalan, 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.

Dp=Dn deb faraz qilib, (!) tenglamaning yechimini topamiz<<р 0 и р 0 >>n 0 va yarimo'tkazgich doimiy intensivlikdagi yorug'lik bilan t=0 vaqtda yoritila boshlaydi. Keyin o'zgaruvchilarni ajratib, t=0 da Dn=0 boshlang'ich shartini hisobga olgan holda integrallashtirib olamiz:

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

Muvozanatsiz elektron konsentratsiyasining barqaror qiymati Dn 0 t®¥ da aniqlanadi:

Agar, aksincha, namunada Dn 0 muvozanatsiz tashuvchilarning statsionar konsentratsiyasi hosil bo'lsa va t=0 momentida yorug'lik yoqilgan bo'lsa, u holda qonunga muvofiq muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi nolga tushadi:

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

Shunday qilib, yorug'likni bir lahzada yoqish va o'chirishda zaryad tashuvchilarning muvozanatsiz kontsentratsiyasining bo'shashishi (ya'ni ko'tarilishi va tushishi) muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning ishlash muddatiga mos keladigan t vaqt konstantasi bilan eksponensial qonunga muvofiq sodir bo'ladi.

Olingan analitik bog'liqliklar muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasining oshishi yorug'lik intensivligiga, ya'ni lyuks-amper deb ataladigan muvozanatsiz statsionar o'tkazuvchanlikning (kontsentratsiyaning) o'zgarishi qonunini aniqlashga imkon beradi. xususiyatlari. Chiziqli rekombinatsiya qonuni bilan, muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning ishlash muddati yorug'lik intensivligiga bog'liq bo'lmasa, lyuksamper xarakteristikasi chiziqli bo'ladi, chunki (3) tenglamaga muvofiq, statsionar muvozanatsiz konsentratsiya Dn 0 yorug'lik intensivligi j ga proportsionaldir. .

Zaryad tashuvchilarning sirt rekombinatsiyasi va diffuziyasi mavjudligida fotoo'tkazuvchanlik

Fotoo'tkazuvchanlikning oldingi tahlilida, namunaning butun hajmida zaryad tashuvchilarning bir xil hosil bo'lishi taxmin qilingan, sirt yaqinida muvozanat bo'lmagan zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasining nisbiy pasayishiga olib keladigan zaryad tashuvchilarning rekombinatsiyasi yuzaga keldi. hisobga olinmagan. Agar, avvalgidek, nurlanishning yutilishi bir xil deb hisoblansa, (2) tenglama yechimida rekombinatsiya yuzalarini hisobga olish bilan bog'liq yagona o'zgarish muvozanatsiz zaryad tashuvchilarning ishlash muddatini samarali ishlash muddatiga almashtirish bo'ladi. t':

bu yerda S - rekombinatsiya yuzalarining tezligi (S kichik bo'lsa);

d - yorug'lik yo'nalishi bo'yicha namunaning o'lchami.

t ning samarali ishlash muddati t' ga nisbati zaryad tashuvchilarning sirt rekombinatsiyasi mavjudligida namunaning fotoo'tkazuvchanligini tavsiflaydi:

(4) dan ko'rinib turibdiki, agar St<>d bo‘lsa, fotoo‘tkazuvchanlik S=0 da fotoo‘tkazuvchanlikdan (2 St)/d marta kichik bo‘lib chiqadi va faqat zaryad tashuvchilarning sirtda rekombinatsiyalanish shartlari bilan aniqlanadi.

Sirt rekombinatsiya jarayonining mavjudligi nafaqat fotoo'tkazuvchanlikning statsionar qiymatiga, balki fotoo'tkazuvchanlikning spektral bog'liqligiga ham ta'sir qilishi mumkin. Sifat jihatdan buni quyidagicha tushuntirish mumkin. Yutish koeffitsienti k(l) kuchli ortib boruvchi (10 4 – 10 5 sm -1 gacha) asosiy yutilish chegarasi hududida fotoo'tkazuvchanlikning spektral bog'liqligini o'lchashda ikkita raqobatlashuvchi jarayon paydo bo'ladi. Ulardan biri doimiy foton oqimida namuna monoxromatik yorug'lik bilan yoritilishi sharti bilan, yutish koeffitsienti k(l) ortishi hisobiga fotoo'tkazuvchanlikning oshishiga olib keladi. Ikkinchi jarayon sirt yaqinidagi elektronlar kontsentratsiyasining nisbiy o'sishidan iborat bo'lib, bu ko'payish tufayli, ularning umri massa tashuvchilarga qaraganda qisqaroq. Bu jarayonlar fotoo'tkazuvchanlikning spektral bog'liqligida fundamental yutilish chegarasida maksimal fotoo'tkazuvchanlik kuzatilishiga olib kelishi mumkin (3-rasm). Ko'rinib turibdiki, sirtning rekombinatsiya tezligi qanchalik yuqori bo'lsa, fotoo'tkazuvchanlik maksimali shunchalik aniq bo'ladi.

s f

3-rasm -

Keling, tushayotgan nurlanish namunaning a qalinligi bo'yicha bir xilda yutilishi va zaryad tashuvchilarning tarqalishini ko'rib chiqaylik. Biz namunani qalin deb hisoblaymiz, shuning uchun d>>1/k va d>>L (L - bipolyar diffuziya uzunligi). kd>>1 sharti deyarli barcha nurlanishlar yupqa holda yutilishini bildiradi sirt qatlami namuna va namunaning yoritilmagan yuzasidan aks ettirilgan nurlanish intensivligini e'tiborsiz qoldirish mumkin. Bunday holda, namuna ichidagi nurlanish intensivligi j' tenglama bilan tavsiflanadi:

j"=j(1-R s)×e -kx ,

bu erda R s - namunaning yarim cheksizligi yuzasidan aks ettirish koeffitsienti;

j - tushayotgan yorug'likning intensivligi.

Zaryad tashuvchilarning bir xil bo'lmagan hosil bo'lishi va tarqalishi mavjud bo'lgan elektron o'tkazuvchanlik namunasida Dr(x) ortiqcha zaryad tashuvchilarning statsionar kontsentratsiyasi tenglamasi quyidagi ko'rinishga ega:

bu yerda D elektronlar va teshiklarning bipolyar diffuziya koeffitsienti q=bkj'.

(6) tenglamaning tegishli yechimi quyidagi funktsiya bo'ladi:

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

bu yerda L=(Dt) 1/2 - bipolyar diffuziya uzunligi.

Doimiy omil V (7) ni (6) ga almashtirish orqali topiladi:

Doimiy A koeffitsientini yoritilgan sirtdagi chegara holatidan aniqlash mumkin (x=0 da)

Ortiqcha tashuvchilarning yoritilgan sirtga diffuziya oqimi muvozanatsiz tashuvchilarning kontsentratsiyasiga proportsional ekanligini anglatadi. Fotoo'tkazuvchanlik hodisasida rekombinatsiya yuzalarining roli avvalroq baholanganligi sababli, bu holda rekombinatsiya yuzalarining tezligini S = 0 deb faraz qilaylik va shartdan A doimiysini aniqlaymiz.

Keyin zaryad tashuvchilarning namuna bo'yicha taqsimlanishi quyidagicha yozilishi mumkin:

Shuni ta'kidlash kerakki, agar kL>>1 bo'lsa, ortiqcha tashuvchilar nurlanishga qaraganda ancha katta chuqurlikka kiradi va ularning kirish chuqurligi diffuziya uzunligi L ga teng bo'ladi. (8) ni X ga integratsiyalash orqali aniqlash mumkin y yo'nalishidagi namunaning fotoo'tkazuvchanligida ishtirok etadigan ortiqcha zaryad tashuvchilarning umumiy kontsentratsiyasi Dr (Z yo'nalishidagi namunaning uchinchi kattaligi 1 ga teng deb hisoblanadi):

Bu ortiqcha tashuvchilarning umumiy kontsentratsiyasi namunaning birlik yuzasiga so'rilgan fotonlarning umumiy soniga mutanosib ekanligini ko'rsatadi.

Nopoklik fotoo'tkazuvchanligi

Yarimo'tkazgich tarmoqli bo'shlig'ida mahalliy nopoklik darajalari mavjud bo'lsa, radiatsiya, shuningdek, termal qo'zg'alish, nopoklik darajalari va bantlar o'rtasida elektron o'tishga olib kelishi mumkin (1-rasm, 2 va 3 o'tishlari). Bunday o'tishlar tufayli yutilish va fotoo'tkazuvchanlik nopoklik deb ataladi. Tarmoq oralig'ida joylashgan darajalarning ionlanish energiyasi tabiiy ravishda tarmoqli bo'shlig'ining kengligi DE dan kamroq. Shuning uchun nopoklikni yutish va fotoo'tkazuvchanlikning uzun to'lqinli chegarasi ichki yutilish va fotoo'tkazuvchanlikka nisbatan spektrning uzun to'lqinli tomoniga siljiydi.

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

4-rasm -

4-rasmda spektral yutilishlar ko'rsatilgan, tashuvchining hosil bo'lish intensivligi bkj yorug'lik intensivligi bilan nochiziqli ravishda o'zgaradi, chunki yutilish koeffitsienti doimiy bo'lib qolmaydi (k j ga bog'liq), ammo ifloslanish markazlarining sezilarli darajada kamayishi tufayli yorug'lik intensivligi oshishi bilan kamayadi. Shuning uchun nopoklik fotoo'tkazuvchanligi hududida lyuksamper xarakteristikasi faqat past yorug'lik intensivligida chiziqli bo'ladi va nopoklik markazlari to'liq tugaganda yuqori yorug'lik intensivligi uchun to'yinganlikka erishadi.

Nopoklik mintaqasidagi k(j) koeffitsientining nurlanish intensivligiga bog'liqligi ham nopoklik fotoo'tkazuvchanligini yumshatish jarayonlarida muhim ahamiyatga ega. DA oddiy holat nopoklik fotoo'tkazuvchanligining qo'zg'alishi faqat bitta belgining erkin tashuvchilari paydo bo'lishi bilan bog'liq, qarama-qarshi belgining zaryadlari esa nopoklik atomlarida lokalize bo'lib qoladi. Shuning uchun elektr betarafligi sharoitida elektron-teshik juftlarining qo'shma diffuziyasi va drifti jarayonlari sodir bo'lolmaydi.

Diffuziya jarayonining xarakteristikasi diffuziya uzunligi emas, balki Debye skrining uzunligi. Germaniy va kremniy kabi materiallarga xos bo'lgan zaryad tashuvchisi konsentratsiyasida Debye skrining uzunligi juda kichik (10 -6 - 10 -4 sm) va shuning uchun ularning bir hil bo'lmagan hosil bo'lishi paytida zaryad tashuvchining tarqalishi jarayonlarini e'tiborsiz qoldirish mumkin.

Laboratoriya №6

"Yarim o'tkazgichlarning fotoo'tkazuvchanligini o'rganish"

O'lchovni o'rnatish va o'lchash texnikasi

Shakl 1.- O'lchov o'rnatishning sxematik diagrammasi

L manbadan keladigan yorug'lik optik tizim tomonidan MX monoxromatorining S1 kirish tirqishiga qaratilgan. Yorug'lik oqimi mexanik modulyator M tomonidan modulyatsiya qilinishi va filtrlar F bilan zaiflashishi mumkin. Monoxromatorning S2 chiqish tirqishidan nurlanish yarimo'tkazgich namunasiga va to'liq uning ichida bo'lib, fotoo'tkazuvchanlikni keltirib chiqaradi. Namuna pallasida Rn yuk qarshiligida yuzaga keladigan elektr signali LV chiroq voltmetri bilan o'lchanadi.

O'lchov moslamasidagi yorug'lik manbai volframli akkor chiroqdir.

Yorug'lik modulyatori elektr motor tomonidan aylantiriladigan kesikli diskdir. Yorug'lik modulyatsiyasining chastotasi elektr motorining aylanishlar soni va diskdagi kesishlar soni bilan belgilanadi.

Qarshiligi qorong'uda bo'lgan namuna bilan ketma-ket U kuchlanishli batareya va Rl yuk qarshiligi ulanadi. Namuna modulyatsiyalangan yorug'lik bilan yoritilganda, yuk qarshiligida o'zgaruvchan signal paydo bo'ladi, bu kuchaytirgich tomonidan kuchaytiriladi va voltmetr bilan o'lchanadi.

Ish tartibi

1. O'rnatishni yoqing va diqqatni qarating optik tizim namunaning maksimal signaliga ko'ra. Namuna monoxromatorning chiqish teshigidan imkon qadar qisqa masofada monoxromatik yorug'lik bilan bir xilda yoritilishi kerak.

2. Fotoo'tkazuvchanlikning spektral bog'liqligini nisbiy birliklarda U(l) o'lchang, baraban shkalasining 50 0 gacha o'lchovlarini bajaring. O'lchov natijalarini jadvalga yozing va ixtiyoriy masshtabda grafik tuzing.

3. Neon chiroq yordamida baraban shkalasini kalibrlang. Neon spektrining sariq chizig'i l=5852,5A ga, qizil chiziq 6402,2A ga to'g'ri keladi.

4. Fotoo'tkazuvchanlikning maksimal spektral holatidan foydalanib, yarim o'tkazgich materialining tarmoqli bo'shlig'ini aniqlang .

test savollari

1. Ichki effekt nima?

2. To'g'ridan-to'g'ri va yo'naltirilgan elektron o'tishlari nima?

3. Zaryad tashuvchilarning bo'shashish vaqtini aniqlang.

4. Nima jismoniy ma'no kvant rentabelligi tushunchasi bormi?

5. Agar Dt®0 bo'lsa, yorug'lik yoqilganda/o'chirilganda muvozanatsiz tashuvchining konsentratsiyasi qanday o'zgaradi?

6. Samarali hayot muddati tushunchasini keltiring.

7. Debye skrining uzunligi qancha.

Adabiyot

1. Yarimo'tkazgichlar va yarim o'tkazgichli qurilmalar bo'yicha seminar. Ed. K. V. Shalimova.-M .: Oliy maktab, 1968.-87-97 yillar.

2. Pavlov L.P.Yarim o'tkazgich materiallarining asosiy parametrlarini aniqlash usullari.-M.: Oliy maktab, 1975.-125-128, 132-141s.