Външен фотоелектричен ефект Цел на работата

Определете прага на външния фотоелектричен ефект за полупроводников фотокатод.

Кратко теоретично въведение

Закони на фотоелектричния ефект.Външният фотоелектричен ефект (фотоелектронна емисия) е явлението на излъчване на електрони от вещество под действието на светлина, погълната от това вещество.

Експериментално са установени три основни закона на външния фотоефект, които са валидни за всеки фотокатоден материал:

броят на излъчените електрони за единица време (силата на фототока в режим на насищане) е пропорционален на интензитета на светлината (закон на Столетов);

за всяко вещество с определено състояние на повърхността му има "червена граница" на външния фотоелектричен ефект

, къдетотакава честота на светлината, под която () не се наблюдава фотоелектронна емисия;

максималната кинетична енергия на фотоелектроните расте линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет (закон на Айнщайн).

Всички тези закономерности намират изчерпателно обяснение на основата на фотонните представи за светлината (М. Планк, 1900; А. Айнщайн, 1905).

Когато дадено вещество се облъчва със светлина, електроните получават енергия не непрекъснато, а на порции (кванти). Енергията на всяка порция е

, (1)

къде е константата на Планк;

- честота на светлинната вълна.

Тези части от светлинната енергия се наричат ​​фотони.

Колкото по-голям е интензитетът на светлината с определена честота, толкова повече фотони с определена енергия падат върху повърхността на веществото за единица време и следователно повече електрони се избиват. Ако всички избити електрони са носители на електрически ток във веригата (режим на ток на насищане), тогава силата на този ток ще бъде пропорционална на интензитета на светлината. Тоест законът на Столетов наистина трябва да се изпълнява.

Ако енергиятаедин фотон не е достатъчен, за да избие електрон, тогава няма да има фотоелектричен ефект, колкото и такива фотони да паднат върху веществото. Предполага се, че електронът може да абсорбира само един фотон; вероятността за едновременно поглъщане на два или повече фотона е незначителна. Следователно наистина трябва да има "червена граница" на фотоелектричния ефект.

Нека наречемнай-малкатаенергия, необходима за освобождаване на електрон от дадено вещество като работа на работаAB.

Тогава за електрон, който е достатъчен за отделянето на точно тази енергия и погълнал фотон с енергия

, можем да напишем

, (2)

където

е максималната възможна кинетична енергия на изхвърлените електрони за дадена абсорбирана фотонна енергияи работа на изходAB. Тази формула всъщност е законът за запазване на енергията и се наричауравнение на Айнщайн за фотоелектричния ефект.

Тъй като началото на фотоелектричния ефект съответства на очевидното условие

, изразът за червената граница на фотоелектричния ефект следва от уравнението на Айнщайн:

. (3)

Изразявайки от (2) максималната кинетична енергия на електрона, получаваме, че тя наистина е пропорционална на честотата на светлината и не зависи от интензитета на светлинния поток:

. (4)

Спектрална зависимост на фотоелектронната емисия.Една от най-важните характеристики на фотокатода е неговатаквантова ефективност (квантов добив)Y[1].Некаn>> 1 фотони. Тогава броят на електронитеne, излъчени от този фотокатод за единица време, е равен на

. (5)

С други думи,квантовият добивYе равен на съотношението на броя на електронитеne, излъчени от фотокатода за единица време, към броя на фотоните, коитопопадат върху фотокатода през това време

.

Ако енергията на фотона е по-малка от стойността, съответстваща на

червената граница на фотоелектричния ефект, квантовият добив е нула (фотоелектричният ефект не се наблюдава). Тъй като честотата на светлинатасе увеличава, квантовият добив расте бързо, достигайки максимум при определена честота, след което намалява; с още по-голямо увеличение на честотата отново може да се наблюдава бавно нарастване на квантовия добив. Определеният характер на зависимосттае свързан с енергийните състояния на свободните електрони и се наблюдава в металите [1].

За повечето метали максималната стойност наYне надвишава 0,1 при фотонна енергия. В допълнение, червената граница на фотоелектричния ефект за алкалните метали съответства на енергията на фотона

, а за други метали дори повече. Както знаете, видимата област се простира от дължината на вълната на светлината (червена светлина) до дължината на вълната (виолетова светлина). Това съответства на обхвата на енергията на фотона от 1.8 до 4.111eV12. Това означава, че металните фотокатоди не са фоточувствителни във видимата област на спектъра и освен това имат нисък квантов добив. Поради това чистите метали практически не се използват като фотокатоди в електровакуумните устройства.

Ефективните фотокатоди във видимата и близката ултравиолетова област на спектъра са базирани на полупроводникови материали. Трябва да се отбележи, че за полупроводниците в уравнението на Айнщайн (2) вместо работата на работаAB се използва друга стойност -праг на фотоелектричен ефектW[1]:

. (6)

Това се дължи на по-сложния характер на енергийните състояния на електроните, отколкото в металите, които са способни да напуснат полупроводника по време на фотоелектричния ефект. Примесите, добавени към полупроводника и състоянието на неговата повърхност, оказват значително влияние върху фотоемисията.

Когато се използват полупроводникови фотокатоди, е възможно да се увеличи максималната стойност на квантовия добивYmax до 0,5 при прага на фотоелектричния ефект.

V

Волт-токова характеристика на фотоклетката.Фигура 1 показва превключващата верига на фотоклетката, която ви позволява да вземете нейната характеристика ток-напрежение (CVC).

Приблизителен изглед на такива I–V характеристики, получени при фиксирана честота, но при различни интензитети на светлината, е показан на Фиг. 2.

R28 е.2

СекцияABот графиката съответства на тока на насищанеISAT на фотоклетката. При

силата на тока не зависи от напрежението между катода и анода, тъй като електроните, избити от светлина в областта на пространството между катода и анода, попадат в достатъчно силно ускоряващо електрическо поле ивсичкидостигат до анода.

При напрежения

електрическото поле между катода и анода не е достатъчно, за да събере всички изхвърлени електрони върху анода с дадена геометрия на фотоклетката. Част от избитите от светлината електрони удря стените на фотоклетката. Силата на тока, наблюдавана в този случай, е по-малка отINAS Освен това, при нулево и дори отрицателно напрежение на анода, силата на тока е различна от нула. Това се обяснява с факта, че някои от електроните, нокаутирани от фотони (при), имат достатъчна кинетична енергия, за да достигнат анода дори в забавящо поле (графикаCD).

При определена потенциална разлика на забавящото поле

възниква състояние, когато дори електрони с най-висока енергия, без да докосват анода, се изхвърлят обратно към фотокатода. Тогава токът през фотоклетката става равен на нула (точкаDот графиката). Работата на силите на забавящото електрическо поле върху електрони с максимална кинетична енергия в момента, в който те спрат близо до анодае равно на увеличението на тази енергия:

. (7)

В една истинска слънчева клетка анодът и катодът могат да бъдат направени от различни вещества. Следователно между тях, освен потенциалната разликаU,поради външен източник, съществува така наречената контактна потенциална разликаUKONT. Волтметърът, включен във веригата, не може да измерваUKONT. Следователно точкаDот графиката съответства на истинското напрежение

. (8)

---