Фотоэлектрические эффекты

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект заключается в испускании электронов из вещества под действием падающего электромагнитного излучения, чаще всего — света или ультрафиолетового диапазона. При облучении фотонами с энергией, превышающей работу выхода вещества, электроны покидают его поверхность, приобретая кинетическую энергию. Энергетический баланс процесса описывается уравнением Эйнштейна:

$$ h\nu = A_{\text{вых}} + \frac{mv^2}{2} $$

где hν — энергия падающего фотона, Aвых — работа выхода вещества, а $\frac{mv^2}{2}$ — кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Ключевые особенности:

  • Существует пороговая частота ν0, ниже которой фотоэффект не наблюдается, независимо от интенсивности света.
  • Число выбитых электронов зависит от интенсивности излучения, но их максимальная энергия определяется только частотой света.
  • Процесс происходит практически мгновенно (времена порядка фемтосекунд), что указывает на квантовую природу взаимодействия.

Фотоэффект используется в фотоэлементах, фотодиодах, электронно-оптических умножителях и приборах ночного видения.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках, когда поглощённый фотон передаёт энергию электрону, переводя его из валентной зоны в зону проводимости. В результате увеличивается концентрация носителей заряда и, соответственно, электропроводность материала.

Процесс включает:

  1. Поглощение фотона с энергией hν ≥ Eg, где Eg — ширина запрещённой зоны.
  2. Генерацию электронно-дырочных пар.
  3. Повышение проводимости за счёт увеличения числа свободных носителей.

В отличие от внешнего фотоэффекта, электроны не покидают вещество, а остаются внутри, что позволяет использовать эффект в фоторезисторах, солнечных элементах и фотодетекторах.

Ключевые зависимости:

  • Спектральная чувствительность материала определяется соотношением между шириной запрещённой зоны и энергией падающих фотонов.
  • При фиксированной частоте света фотопроводимость растёт с увеличением интенсивности до насыщения.
  • Время жизни фотоиндуцированных носителей определяет динамические характеристики устройства.

Фотопроводимость

Фотопроводимость — это явление изменения электропроводности вещества под действием света, являющееся прямым следствием внутреннего фотоэффекта. В полупроводниках различают:

  • Прямую фотопроводимость — увеличение проводимости при освещении.
  • Негативную фотопроводимость — редкое явление, когда проводимость уменьшается при облучении, например, за счёт захвата носителей ловушками.

Зависимость фототока Iф от интенсивности света Iсв при малых уровнях освещённости часто описывается степенной функцией:

Iф ∝ Iсвγ

где γ зависит от механизма рекомбинации.

Применения фотопроводимости охватывают датчики освещённости, системы автоматической фокусировки, а также спектрометрию в инфракрасной и ультрафиолетовой областях.

Фотоэлектронная эмиссия в твёрдых телах

При облучении металлических или полупроводниковых поверхностей высокоэнергетическими фотонами возможно возбуждение электронов из глубоких энергетических уровней (например, внутренних оболочек атомов). Этот процесс используется в рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) для исследования химического состава и электронного строения поверхности.

Энергия вылетающего электрона определяется уравнением:

Eкин = hν − Aвых − Eсв

где Eсв — энергия связи электрона на рассматриваемом уровне.

Такие методы позволяют получать информацию о химическом состоянии элементов и характере связей в материалах.

Фотоэлектрические эффекты в полупроводниковых приборах

Многочисленные устройства в физике конденсированного состояния используют фотоэлектрические эффекты:

  • Фотодиоды — преобразуют свет в электрический ток, часто в режиме обратного смещения для повышения чувствительности.
  • Солнечные батареи — используют p-n-переход, в котором фотоиндуцированные носители разделяются внутренним электрическим полем.
  • Фоторезисторы — изменяют сопротивление в зависимости от освещённости.
  • Фототранзисторы — сочетают усиление и светочувствительность, обеспечивая высокое отношение сигнал/шум.

Важным параметром таких приборов является квантовая эффективность, показывающая, сколько электронов генерируется на один поглощённый фотон.

Нелинейные фотоэлектрические эффекты

При высоких интенсивностях света (например, в лазерных установках) возникают многофотонные процессы: электрон может быть выбит поглощением двух или более фотонов с энергиями ниже пороговой, но суммарно превышающими работу выхода. Эти эффекты играют ключевую роль в фотоэмиссионной спектроскопии с использованием фемтосекундных лазеров и в изучении ультрабыстрых процессов в твёрдых телах.

Оглавление