prod11425-fotoeffekt2003

Введени е.
Т е м а д и п ло м а – и с с ле д о в а н и е вн утр е н н е г о ф о то эф ф е к т а с
п о с тр о е н и е м з а ви с и м о с ти ф о то то к а о т о с ве щ е н но с ти .
А к т уа л ьн о с ть ю р а б о ты я в ля е тс я то , ч то о п р е д е ле н и е
з а ви с и м о с ти ф ото то к а о т о с ве щ е н н о с ти с п о с о б н о п р е д о с та ви т ь
и н ф о р м а ц и ю , к о то р а я б уд е т п о к а зы в а т ь: п р и к а к и х ус ло ви я х
во зн и к н о в е н и я в н утр е н н е г о ф о то эф ф е к та , е г о и с п о л ьзо ва н и е
я вл я е т с я н а и б о ле е эф ф е к ти вн ы м .
Ц е ль ю д и п ло м а я вл я е т с я и з уч е н и е вн утр е н н е г о ф о то эф ф е к та
и с о зд а н и е н е б о л ь ш о г о уч е б н и ка п о ф о то эф ф е к т у. В н ё м б уд е т
р а с с к а за н а те о р е ти ч е с к а я ч а с т ь о ф о то эф ф е к те , а т а к ж е
п о к а за н а за ви с и м о с т ь ф о то то к а о т о с ве щ е н н о с ти и о п р е д е ле н и я
н а и б о ль ш е й п о ль зы о т и с п о ль зо в а н и я вн утр е н н е г о ф о то э ф ф е к та
д ля п о л уч е н и я эл е к тр и ч е с к о г о то к а .
Д ля д о с ти ж е н и я э то й ц е ли н уж н о р е ш и т ь н е к о тор ы е з а д а ч и :
1 . О п и с а н и е те о р ии вс е х ви д о в ф о то эф ф е к та .
2 . Р а б о та с н а уч н о й ли те р а т ур о й .
3 . С о зд а н и е ус т а н о в к и д ля п р о ве д е н и я и с с ле д о ва н и й п о
и з уч е н и ю вн утр е н н е г о ф о то эф ф е к та .
4 . П р о ве д е н и я р я д а и с с ле д о ва н и й .
5 . О б р а б о тк а п о луч е н н ы х р е з ул ь та то в и п о д в е д е н и е
и то г о в .
6 . С о зд а н и е н е б о ль ш о г о уч е б н и к а п о ф о т о эф ф е к т у.
Р а б о та с о с то и т и з ч е ты р е х г л а в . П е р в а я г ла ва р а с с к а зы ва е т о
к ла с с е я в ле н и и , к а к ф о то эф ф е к т и е г о р а зн о ви д н о с т я х . В то р а я
г ла ва п о ве с т в уе т о б ус та н о вк е , к о то р а я б ы ла с о зд а н а д л я
и с с л е д о ва н и я в н утр е н н е г о ф о то эф ф е к та . В тр е т ье й г ла ве
п о к а за н , к а к и м о б р а зо м п р о во д и ли с ь и с с ле д о в а н и я , а та к ж е
а н а ли з
п о л уч е н н ы х
р е з ул ьт а то в
за ви с и м о с ти ,
в
ходе
и с с л е д о ва н и я . В ч е тве р то й г ла ве б уд е т п р е д с та вл е н вы во д о
п о л уч е н н ы х р е зул ь т а та х и зн а ч е н и е р а б о ты .
В д и п ло м е б уд е т п р е д с та в ле н а т е о р е ти ч е с к а я с то р о н а
и с с л е д о ва н и я , дл я о п р е д е л е н и я с п о с о б а и з уч е н и я вн ут р е н н е г о
ф о то эф ф е к та , и зо б р е те н и я ус та н о вк и и р а зб о р а п о л уч е н н ых
р е з ул ьт а то в в х од е р а б о ты .
Л и те р а т ур а :
О . Ф . К а б а р д и н « С п р а во ч н и к ш к о льн и к а » О О О « И зд а те л ьс тво
А с тр е л ь » , 2 0 0 3
Б .Я . Бе р е зо в с к и й «С п р а во ч н и к п о ф и зи к е э ле м е н та р н о й
м а те м а ти к е , м е х а н и к е и ф и зи к е » Г о с уд а р с тв е н н о е и зд а т е л ьс тво
БССР, Минск 1962
С а й т «С ло ва р и к » h t t p : / / v s l ov a r . o r g . r u / Р е ж и м д о с т уп а :
1 6 .1 2 .1 0
Г лава I. Фо тоэффек т.
П р е ж д е ч е м п е р е й ти к о с о б е н н о с тя м и с п о л ьзуе м о г о н а м и
ф о то эф ф е к та
и
п р е о б р а зо ва н и и
с ве то во й
эн е р г и и
в
э л е к тр и ч е с к и й то к , тр е б уе тс я д а т ь о б щ е е п р е д с та в ле н и е о б э то м
процессе.
С н а ч а ла м ы д а д и м о п р е д е ле н и е ф о то эф ф е к т у.
Ф о то э ф ф е к т 1
–
класс
я вл е н и й ,
происходящих
при
в за и м о д е й с т ви и с ве то вы х ф о то н о в с эл е к тр о н а м и ве щ е с тва , в
р е з ул ьт а т е к о тор ы х , ф о то н ы и с ч е за ю т, а э ле к тр о н ы м е н я ют с во ё
с о с то я н и е . Фо то э ф ф е к т б ы л в п е р вы е о тк р ы т в 1 8 8 7 г о д у
Г е н р и х о м Г е р ц е м . Пр и р а б о т е он з а м е ти л , ч то е с ли п р о с ве т и ть
ул ь т р а ф и о л е то м н а ц и н к о вы е р а зр я д н и к и , то п р о х о ж д е н и е
и с к р ы з а м е тн о о б ле г ч а е т с я .
В п р и р о д е с ущ е с т в уе т тр и в и д а ф о то эф ф е к та : вн е ш н и й
ф о то эф ф е к т , вн ут р е н н и й ф о то эф ф е к т и ве н ти л ьн ы й ф о то эф ф е к т.
Д а ва й те б о ле е уг л уб ле н н о р а с с м о тр и м ф о то эф ф е к т , и н а ч н е м
м ы с вн е ш н е г о ф о то эф ф е к т а .
Внешний
ф о то э ф ф е к т 2
–
вы р ы ва н и е
э ле к тр о н о в
из
п о в е р х н о с ти ве щ е с т ва п о д д е й с т ви е с ве та .
Д ля л уч ш е г о п о н и м а н и я вн е ш н е г о ф о то эф ф е к та м ы в
к а ч е с тв е в е щ е с т ва , с к о то р о г о д о лж н о п р о и зо й ти вы р ы в а н ие
э л е к тр о н о в , во зь м е м к а к о й - то м е та л л . Д ля то г о , ч то б ы п о н я т ь,
к а к п о д в ли я н и е м с в е та н а к а к о е ли б о ве щ е с т во п р о и с х о д и т
вы р ы ва н и е эл е к тр о н о в и о б р а з уе т с я э ле к тр и ч е с к и й то к ,
о б ъя с н и м , ч то т а к о е то к . То к 3 – это н а п р а в ле н н о е д ви ж е н и е
з а р я д о в . Он о п р е д с та вля е т с о б о й д ви ж е н и е э ле к тр о н о в 4 и
Сайт. Режим доступа: http://vslovar.ru/bes/59897.html Данные соответствуют 06.11.10.
Сайт. Режим доступа: http://vslovar.ru/bes/59897.html Данные соответствуют 06.11.10.
3
Видеозапись. «Внешний фотоэффект». Автор В. Малишевский.
4
Электрон - стабильная элементарная частица с электрическим зарядом. Сайт. Режим доступа:
http://vslovar.ru/phys/931.html Данные соответствуют 07.11.10.
1
2
п о ло ж и те л ьн о за р я ж е н н ы х и о н ов 5. Ио н ы п р о ч н о уд е р ж и в а ю тс я в
уз л а х к р и с та лл и ч е с к о й р е ш е т к и м е т а л ло в, с во б о д н ы е ж е
э л е к тр о н ы
п е р е м е щ а ю тс я
по
в сему
с во б о д н о м у
о б ъе м у
м е та л ло в , н о вы й ти и з н е г о н е м о г ут . Их уд е р ж и ва е т д во й н о й
э л е к тр и ч е с к и й с л о й , о н о б р а з уе т с я и з н а р уж н о г о с ло я и о н о в и
о к р уж а ющ е г о м е та л л о б ла к о э л е к тр о н о в. Т а к о й «б а р ье р »
с во б о д н ы й э ле к тр о н п р е о д о ле ть н е м о ж е т . К а к ж е с ве т м о ж е т
« п о м о ч ь » э ле к тр о н а м п р е о д о ле т ь это т «б а р ье р »? По к в а н то вой
т е о р и и с в е т с о б о й п р е д с т а в ля е т п о то к ф о то н о в 6 с р а зн о й
ч а с то то й к о ле б а н и я . По р а зм ы ш л я в , м о ж н о п р и й ти к ло г и ч н о м у
вы во д у, ч то ф о то н ы р а зн ы х эн е р г и й с о о т ве тс тв ую т с в е то вы м
во лн а м р а зн о й ч а с то ты . Э то та к ж е ви д н о и з ф о р м ул ы П ла н к а :
– к о ли ч е с т во эн е р г и и ;
- п о с то я н н а я П ла н к а 7;
- ч а с то та
э л е к тр о м а г н и тн о г о и з л уч е н и я .
С ле д о ва т е л ьн о , ч е м м е н ьш е ч а с то та , т е м м е н ь ш е эн е р г и я и
наоборот.
Т а к и м о б р а зо м , ф о то н ы д ви ж утс я «п о ш т уч н о » п о с во е й во лн е
и е с ли , д ли н а во лн ы н е м е н ьш е р а с с то я н и я м е ж д у ф о то н о м и
м е та л ло м , то ф о то н м о ж е т п р о н и к н ут ь в м е та л л. Ес ли е м у
уд а ё тс я п р о н и к н ут ь и с то л к н уть с я с о с во б о д н ы м э ле к тр о н о м , а
э то п о л уч а е тс я н е вс е г д а , т а к к а к ф о то н м о ж е т о тр а зи т ьс я от
п о в е р х н о с ти м е т а лл а и ли п р о ни к н ут ь с ли ш к о м г л уб о к о и б ы ть
п о г ло щ е н н ы м д р уг и м и ч а с ти ц а м и , то о н п о лн о с ть ю п е р е д а ё т
в с ю с во ю эн е р г и ю , э то м у э л е к тр о н у. Эл е к тр о н ж е , п о л уч и в
д о п о лн и те льн ую э н е р г и ю р а вн ую р а б о те вы х о д а , м о ж е т
вы р ва ть с я с п о в е р х н о с ти м е та л л а . Э то с л е д уе т и з ф о р м ул ы
А л ьб е р та Эй н ш т е й н а , за к о тор ую о н в 1 9 2 1 г о д у п о л уч и ло
Н о б е л е в с к ую п р е м и ю:
Ион - одноатомная или многоатомная электрически заряженная частица, образующаяся в результате
потери или присоединения одного или нескольких электронов атомом или молекулой. Сайт. Режим доступа:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Ион Данные соответствуют 07.11.10.
6
Фотон - элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Сайт. Режим доступа:
http://vslovar.ru/phys/874.html Данные соответствуют 06.11.10.
7
Постоянная Планка — коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его
частотой. Сайт. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянная_Планка Данные соответствуют
06.11.10.
5
-
п о с то я н н а я
и зл уч е н и я ;
П л а н к а 8;
-
– р а б о т а вы х о д а ;
ч а с то та
эл е к тр о м а г н и тн о г о
- к и н е ти ч е с к а я эн е р г и я
вы ле та ющ е г о э ле к тр о н а .
Т а к ж е с п р а ве д ли в а ф о р м ул а , г д е уч и ты ва е тс я р а б о та
э л е к тр и ч е с к о г о п о ля п о во з вра щ е н и ю эл е к тр о н о в о б р а тн о н а
к а то д .
-
п о с то я н н а я
П л а н к а 9;
-
ч а с т о та
эл е к тр о м а г н и тн о г о
и зл уч е н и я ;
– р а б о т а вы х о д а ;
- р а б о та э ле к тр и ч е с к о г о
п о ля п о во звр а щ е н и ю э ле к тр о н ов о б р а тн о н а к а то д .
Т а к к а к в о т ли ч и е о т ф о р м улы Эй н ш те й н а в н е й
уч и ты ва е тс я , ч то н е о б я за те л ьно вы р в а в ш и й с я э л е к тр о н д о лж е н
п р и тя г и в а т ьс я к а то д о м . По э то м у е г о к и н е ти ч е с к а я эн е р г и я
з а м е н я е т с я н а р а б о т у, к о то р ую о н д о лж е н с о ве р ш и т ь д ля
п р е о д о л е н и я э ле к тр и ч е с к о г о п о ля .
К о ли ч е с т ве н н ы е з а к о н о м е р н о с ти в н е ш н е г о ф о то эф ф е к та б ы ли
ус т а н о в ле н ы
Александром
Г р и г о р ь е ви ч е м
С то ле то вы м ,
и
о б ъя с н е н ы А л ьб е р то м Эй н ш т е й н о м в 1 9 0 5 г о д у. В р е з ул ь та те
э то г о б ы ли вы ве д е н ы тр и за к о н а вн е ш н е г о ф о то эф ф е к та :
1 . К о ли ч е с т во
эл е к тр о н о в,
вы р ы в а е м ы х
с в е то м
с
п о в е р х н о с ти м е та л ла за е д и н и ц у вр е м е н и , п р я м о
п р о п о р ц и о н а л ьн о и н те н с и вн о с ти с ве т а .
2 . М а к с и м а л ьн а я к и н е ти ч е с к а я эн е р г и я вы р ы в а е м ы х с ве то м
э л е к тр о н о в ли н е й н о во зр а с тё т с ч а с то то й с ве та и н е
з а ви с и т о т е г о и н т е н с и вн о с ти .
Постоянная Планка — коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его
частотой. Сайт. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянная_Планка Данные соответствуют
06.11.10.
9
Постоянная Планка — коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его
частотой. Сайт. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Постоянная_Планка Данные соответствуют
06.11.10.
8
3 . Д ля к а ж д о г о в е щ е с т ва с ущ е с тв уе т к р а с н а я г р а н и ц а
ф о то эф ф е к та , п р е д е л ьн а я н а и м е н ь ш а я ч а с то т а и ли
н а и б о ль ш а я д ли н а во лн ы , п р и к о то р о й е щ е во зм о ж е н
в н е ш н и й ф о то эф ф е к т . То е с ть , е с ли ч а с то та с ве та
м е н ь ш е э то й п р е д е л ьн о й ч а с то ты и ли д ли на во лн ы
б о л ьш е п р е д е ль н о й д ли н ы во л н ы , то ф о то эф ф е к т н е
н а б л юд а е т с я .
Т е п е р ь р а зо б р а в вн е ш н и й ф о то э ф ф е к т, м ы м ож е м п е р е й т и к
в н утр е н н е м у ф о то эф ф е к т у.
В н утр е н н и й ф о то э ф ф е к т 10 – ув е ли ч е н и е эл е к тр о п р о во д и м о с ти
п о л уп р о во д н и к ов и д и э ле к тр и к о в п о д д е й с т ви е м с ве т а .
Д ля л уч ш е г о п о н и м а н и я вн утр е н н е г о ф о то эф ф е к та , м ы е г о
р а с с м о тр и м в ч и с то м п о л уп р о во д н и к е . Ес ли м ы п р е д с та ви л
к р и с та лли к м е та л ла э то г о п о л уп р о во д н и к а , ув е ли ч е н н ы й во
м н о г о м и лли о н о в р а з , то м ы з а м е ти м , ч то о н с о с то и т и з
п о ло ж и те л ьн ы х и о н о в и э ле к тр о н о в . Э ле к тр о н ы уд е р ж и ва ютс я
н а вн е ш н и х о б о ло ч к а х а то м о в . Ес ли ж е м ы о с ве ти м это т
к р и с та лл , то п р и п о г ло щ е н и е ф о то н о в , э ле к тр о н п е р е х о д и т в
с во б о д н о е с о с то я н и е , а та м г д е б ы л э ле к тр о н во зн и к а е т
и зб ы то ч н ы й п о ло ж и т е л ьн е й з а р я д . Об р а з уе т с я , та к н а зы в а е м а я ,
д ы р к а . Пр о и с х о д и т г е н е р а ц и я п а р ы э ле к тр о н - д ы р к а . З а х в а ты ва я
в а ле н тн ы е э ле к тр о н ы с о с е д н и х а то м о в, д ы рк а б л уж д а е т п о
к р и с та лл у,
перенося
п о ло жи т е л ьн ы й
за р я д .
С во б о д н ы й
э л е к тр о н , п е р е м е щ а я с ь п о к р и с та лл у, м о ж е т в с тр е ти ть с я с
д ы р к о й , то г д а о н с та н о ви тс я н а м е с то э то й д ы р к и и с н о ва
с та н о ви тс я
в а л е н тн ы м .
Та к
в
освещенном
кристалл е,
ус т а н а вли ва е тс я
п о вы ш е н н а я
к о н ц е н тр а ц и я
с во б о д н ых
н о с и т е ле й
заряда.
С ле д о ва т е л ьн о ,
ув е л и ч и в а е тс я
э л е к тр о п р о во д и м о с т ь.
Те п е р ь
р а с с м о тр и м
ф о то эф ф е к т
с
м е та л ло м , с о де р ж а щ и м п р и м е с ь , то е с ть н е в ч и с том
п о л уп р о во д н и к е . В о з ьм е м д ля э то г о , к а к п р им е р , г е р м а н и й и
п р и м е с ь с ур ь м ы. Г е р м а н и й ч е ты р е х в а л е н те н , а п р и м е с ь с ур ьм ы
п я ти ва ле н тн а . В м е с т е с эл е к тр о н а м и с о с е д н и х а то м о в г е р м а н и я ,
а то м
с ур ьм ы
о б р а з уе т
ус то й ч и в ую
во с ьм и э ле к тр о н н ую
о б о ло ч к у, а е г о п я ты й э ле к тр о н о к а зы в а е тс я ли ш н и м и
с та н о ви тс я с во б о д н ы м . О тд а в а я с во и ли ш н и е эл е к тр о н ы , а то м ы
п я ти ва ле н тн о й п р и м е с и ув е ли ч и ва ют к о ли ч е с тво с во б о д н ы х
10
Сайт. Режим доступа: http://vslovar.ru/bes/59897.html Данные соответствуют 07.11.10.
э л е к тр о н о в . Та к а я п р и м е с ь н а зы ва е тс я д о н о р н о й . Те п е р ь м ы
во з ьм е м
примесью
а л юм и н и й .
Он
тр е х в а л е н те н .
Д ля
о б р а зо ва н и я ус то й ч и во й во с ь м и эл е к тр о н н о й о б о ло ч к и , е м у н е
х в а та е т о д н о г о э л е к тр о н а . А то м а лю м и н и я м о ж е т за х ва ти ть
с о с е д н и й э ле к тр о н в а л е н тн о г о а то м а , н а м е с т е з а х в а ч е н н о г о
э л е к тр о н а о б р а з уе тс я д ы р к а . А то м ы тр е х в а ле н тн о й п р и м е с и ,
з а х в а ты ва я ва ле н тн ы е э ле к тр о н ы , ув е ли ч и ва ют к о ли ч е с тво
д ы р о к , п о э то м у т а к а я п р и м е с ь н а зы ва е тс я а к ц е п то р н о й . В
п р и м е с н ы х п о луп р о во д н и к а х д о н о р н о г о и а к ц е п то р н о г о ти п а
с во б о д н ы х н о с и т е ле й за р я д а зн а ч и те л ьн о б о льш е , ч е м в ч и с ты х
п о л уп р о во д н и к а х .
И з уч и в вн утр е н н и й ф о то эф ф е к т, м ы м о ж е м т е п е р ь р а зо б р а ть
в е н ти л ьн ы й ф о то э ф ф е к т.
В е н ти льн ы й ф о то эф ф е к т 11 – в о зб уж д е н и е эл е к тр о д ви ж ущ е й
с и лы н а г р а н и ц е м е ж д у м е т а л ло м и п о л уп р о во дн и к о м и ли м е ж д у
р а зн о р о д н ы м и п о л уп р о во д н и к а м и . Д ля п о н и м а н и я ве н ти льн о г о
ф о то эф ф е к та п р и с та ви м к р и с та л л г е р м а н и я , р а зд е л е н н ы й н а д в е
ч а с ти . В о д н у ч а с ть к р и с та лла в ве д е н а а к ц е п то р н а я п р и м е с ь ,
с ле д о ва т е л ьн о , о с н о вн ы м н о с и те ле м за р я д а я в ля ют с я д ы р к и . В
д р уг ую ч а с т ь вв е д е н а д о н о р н ая п р и м е с ь , то е с т ь о с н о вн ы м и
н о с и т е ля м и за р я д а в э то й ч а с ти я вл я ю тс я э ле к тр о н ы . Т е п е р ь м ы
с о е д и н и м о б и ч а с ти к р и с та лл а . Э л е к тр о н ы н а ч н ут п е р е м е щ а т ьс я
в а к ц е п то р н ую о б ла с ть , г д е и х м а ло , а д ы р к и в д о н о р н ую
область.
Д и ф ф узи я
за р я д о в
п р и во д и т
к
о б р а зо ва н и ю
п е р е х о д н о г о с ло я . Э ле к тр и ч е с к о е п о ле это г о п е р е х о д н о г о с ло я
то р м о зи т д и ф ф уз и ю и вы зы ва е т о б р а тн ы й д р е й ф н о с и те ле й
з а р я д а . Д и ф ф уз и о н н ы е и д р е й ф о вы е п о то к и ур а вн и в а ю тс я ,
о б р а з уе тс я д о н о р н о - а к ц е п то р н ы й п е р е х о д . Т е п е р ь п р е д с та ви м
к р и с та лл д о н о рн о г о ти п а п о д т о н к и м с ло е м п о л уп р о во д н и к а
а к ц е п то р н о г о ти п а . Пр и о бл уч е н и е с ве то м к р и с та л ла в
а к ц е п то р н о й
о б л а с ти
о б р а зую т с я
пары
э л е к тр о н - д ы рк а .
Э л е к тр и ч е с к о е п о ле за д е р ж и ва е т д ы р к и , а эл е к тр о н ы н а п р а в ля е т
в д о н о р н ую о б ла с т ь. Пр о и с х о ди т п р о с тр а н с т ве н н о е р а зд е л е н ие
и во зн и к а е т ф о то эд с 12. Т а к в е н ти льн ы е э ле м е н ты п р е о б р а з уют
с ве то в ую эн е р г и ю в э ле к тр и ч е с к ую э н е р г и ю .
Сайт. Режим доступа: http://vslovar.ru/bes/59897.html Данные соответствуют 07.11.10.
Фотоэдс — электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике. Сайт. Режим доступа:
http://dic.academic.ru/dic.nsf/polytechnic/10183/ФОТОЭДС Данные соответствуют 07.11.10.
11
12