Przeczytaj
Warto przeczytać
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny
Efektem fotoelektrycznym zewnętrznymEfektem fotoelektrycznym zewnętrznym nazywamy zjawisko emisji elektronów z metalu pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego. Mechanizm zachodzenia zjawiska polega na tym, że fotony promieniowania przekazują swoją energię elektronom, co skutkuje ich emisją poza obszar metalu. Maksymalna energia kinetyczna elektronu równa jest energii fotonu pomniejszonej o pracę wyjścia. Praca wyjścia jest energią wiązania elektronu w metalu, zazwyczaj przyjmuje ona wielkości rzędu kilku elektronowoltów.
Energia kinetyczna fotoelektronu jest więc opisywana wzorem:
gdzie jest energię kinetyczną wybitego elektronu, jest energią fotonu, a – pracą wyjścia.
Pamiętając, że energia fotonu jest iloczynem stałej Plancka () i częstotliwości promieniowania, otrzymujemy wyrażenie
Aby zaszło zjawisko fotoelektryczne energia fotonu musi przewyższać pracę wyjścia (). Graniczną częstotliwością jest więc częstotliwość określona jako: .
Fotokomórka
Najpopularniejszym urządzeniem wykorzystującym zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne jest fotokomórka. Pierwsze fotokomórki powstały już w latach 90. XIX wieku, a zaczęły być powszechnie wykorzystywane w pierwszej połowie XX wieku. Najprostsza fotokomórka składa się dwóch elektrod, katody i anody, umieszczonych w bańce próżniowej. Pomiędzy elektrodami przyłożone jest napięcie w taki sposób, że katoda podłączona jest do dodatniego bieguna napięcia zasilającego. Jeśli promieniowanie elektromagnetyczne nie pada na katodę, prąd w obwodzie nie płynie. Po oświetleniu katody promieniowaniem o energii fotonów większej od pracy wyjścia materiału katody, elektrony zostają wybite z katody i migrują w kierunku anody powodując przepływ prądu. Oświetlona fotokomórka przewodzi prąd.
Obwody zawierające fotokomórkę mogą być wykorzystane np. do zapalania lamp ulicznych. Lampy zapalają się o zmroku. Mechanizm, który spowoduje ich zapalenie reaguje na brak oświetlenia, czyli na ustanie przepływu prądu w obwodzie zawierającym fotokomórkę. Przykład takiego obwodu prezentuje Rys. 2.
Oświetlona fotokomórka przewodzi prąd. W obwodzie znajduje się elektromagnes. Jeśli przez elektromagnes przepływa prąd, wytworzone pole magnetyczne przyciąga ramię przełącznika powodując, że obwód lampy jest otwarty, a lampa wyłączona. Przerwanie dostępu światła powoduje zatrzymanie przepływu prądu w obwodzie fotokomórki, wyłączenie elektromagnesu, zamknięcie obwodu lampy i finalnie jej zapalenie.
Fotopowielacz
Fotopowielacze są urządzeniami służącymi do pomiaru światła. Najczęściej są one połączone ze scyntylatorem, czyli materiałem, który pochłania promieniowanie jonizujące (np. promieniowanie gamma lub beta) i emituje światło widzialne lub ultrafioletowe. Wypromieniowane światło jest pochłaniane przez fotopowielacz i zmieniane na sygnał elektryczny. Scyntylator zestawiony z fotopowielaczem stanowią detektor promieniowania jonizującego, czyli urządzenie, które pochłania promieniowanie jonizujące oraz generuje sygnał elektryczny zależny od pochłoniętego promieniowania.
Budowa fotopowielacza jest bardzo zbliżona do budowy fotokomórki próżniowej. Najważniejsze jej elementy to fotokatoda, na której zachodzi efekt fotoelektryczny zewnętrznyefekt fotoelektryczny zewnętrzny oraz anoda, na której zbiera się ładunek. Dodatkowo w obszarze pomiędzy katodą i anodą znajduje się szereg elektrod, których zadaniem jest wzmocnienie ładunku, czyli zwiększenie liczby elektronów padających na anodę. Elektrody te są nazywane dynodami. Wszystkie trzy typy elektrod umieszczone są w silnym polu elektrycznym. Mechanizm działania fotopowielacza został poglądowo zaprezentowany na Rys. 3.
Fotopowielacze charakteryzuje wysoka czułość. Oznacza to, że mogą być wykorzystywane do pomiaru światła o bardzo małym natężeniu. Pod tym względem zdecydowanie przeważają nad matrycami CCD, o których przeczytasz w kolejnych akapitach.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny
Efekt fotoelektryczny wewnętrznyEfekt fotoelektryczny wewnętrzny również opiera się na przekazie energii fotonów elektronom. Te jednak nie opuszczają materiału, w którym się znajdują, ale zmieniają powłokę elektronową w atomie. Może to prowadzić do zmiany zdolności przewodzenia materiału, a w konsekwencji przepływu prądu.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny występuje w półprzewodnikachpółprzewodnikach, czyli materiałach, których zdolność przewodzenia prądu elektrycznego jest mniejsza niż przewodników i większa niż izolatorów. Aby lepiej zrozumieć jego mechanizm przypomnijmy sobie pasmową teorię przewodnictwa. Elektronowe poziomy energetyczne w półprzewodnikach należą do dwóch grup – pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa. Pasma te są energetycznie rozdzielone obszarem wzbronionym. Elektrony o energii z zakresu pasma walencyjnego są związane w atomach i nie uczestniczą w przepływie prądu. Elektrony o energii należącej do pasma przewodzenia są swobodne i mogą poruszać się pod wpływem przyłożonego napięcia, czyli przewodzić prąd. Zmiana energii elektronu od wartości należącej do pasma walencyjnego do wartości odpowiadającej pasmu przewodzenia, poprzez pochłonięcie energii fotonu promieniowania elektromagnetycznego, nazywamy zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznymzjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym. W efekcie pasmo przewodnictwa zostaje wzbogacone o swobodny nośnik ładunku ujemnego – elektron, a pasmo walencyjne o dziurę elektronową, czyli nieobsadzone miejsce po elektronie, które również uczestniczy w przepływie prądu. Powoduje to wzrost zdolności przewodzenia prądu danego materiału. Aby zaszło zjawisko energia fotonu musi być większa od szerokości obszaru wzbronionego. Podobnie jak w zjawisko fotoelektrycznym zewnętrznymzjawisko fotoelektrycznym zewnętrznym występuje częstotliwość graniczna promieniowania, poniżej której efekt nie zachodzi.
Półprzewodnik składający się z jednego, czystego materiału nazywamy półprzewodnikiem samoistnym. W takich materiałach liczba ujemnych nośników ładunku w paśmie przewodnictwa – elektronów równy jest liczbie ładunków dodatnich w pasmie walencyjnym – dziur. W praktyce często stosowane są jednak półprzewodniki domieszkowane, czyli wzbogacone niewielką ilością innego materiału. W zależności od rodzaju domieszki wyróżniamy dwa typy półprzewodników: typu n, i p. Półprzewodnik typu nPółprzewodnik typu n to taki, w którym wskutek obecności domieszki przeważają nośniki ujemne. W półprzewodniku typu ppółprzewodniku typu p przeważają dziury. Warto pamiętać, że mówimy tylko o nośnikach ładunków uczestniczących w przewodzeniu prądu, cały kryształ jest elektrycznie obojętny.
Złącze p‑n
Składając ze sobą półprzewodnik typu p z półprzewodnikiem typu n otrzymujemy złącze p‑nzłącze p‑n. Z powodu różnic w koncentracji dziur i elektronów po złączeniu materiałów nadmiarowe elektrony dyfundują z półprzewodnika n do półprzewodnika typu p oraz dziury w odwrotnym kierunku. Elektrony, które przedyfundowały z półprzewodnika typu n do p obsadzają obecne tam dziury, powodując zanik swobodnych nośników prądu. Analogiczny proces następuje w półprzewodniku typu p. Wskutek tego procesu półprzewodnik typu n zostaje lokalnie, na styku materiałów, naelektryzowany dodatnio, a półprzewodnik typu p naelektryzowany ujemnie. Warstwa ta praktycznie nie posiada swobodnych nośników ładunku. Powoduje to zahamowanie dalszej dyfuzji nośników. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. Od tego momentu dwa połączone półprzewodniki nazywamy złączem p‑n.
Ogniowo fotowoltaiczne (ogniwo słoneczne)
Ogniwem fotowoltaicznym jest urządzeniem, w którym następuje przemiana energii fotonu światła w energię elektryczną.
Ogniwa słoneczne wykorzystują opisane powyżej złącza p‑n. Fotony padające na granicę półprzewodników powodują wybijanie elektronów z warstwy walencyjnej do warstwy przewodzenia, czyli powstanie pary elektron‑dziura. Wskutek istnienia przestrzennego rozkładu ładunków na granicy p‑n elektrony dyfundują w stronę półprzewodnika typu n, a dziury w stronę półprzewodnika typu p i tam zostają. Wraz z gromadzeniem się ładunków powstaje różnica potencjałów na granicy ośrodków, czyli napięcie elektryczne. W tym procesie energia światła słonecznego jest bezpośrednio zmieniana na energię elektryczną. Jest to więc świetne źródło energii elektrycznej. Warto mieć jednak w pamięci, że wymaga ono zastosowania baterii, służących do przechowywania energii elektrycznej.
Matryca CCD
Matryca CCD jest elementem światłoczułym, który wyparł tradycyjne klisze fotograficzne otwierając furtkę do powstania i rozpowszechnienia fotografii cyfrowej. Matryca jest zbudowana z szeregu półprzewodnikowych pikseli o rozmiarze około kilkunastu milimetrów kwadratowych. Światło padające na półprzewodnikowy piksel powoduje wybicie elektronu z pasma walencyjnego. Do każdego piksela przyłożona jest elektroda umożliwiająca gromadzenie i zbieranie ładunku. Wielkość ładunku zależy od natężenia światła oświetlającego piksel. Sama matryca CCD nie rozróżnia barw. Ta funkcja jest realizowana przez zastosowanie filtrów barwnych o trzech kolorach podstawowych – czerwonym, zielonym i niebieskim. Ważnym parametrem dla matryc CCD jest ich wydajność kwantowa, która określa, jaki procent padającego światła jest rejestrowana. Współczesne matryce mają wydajność kwantową na poziomie 70%, czyli ponad 10 razy więcej niż tradycyjne klisze fotograficzne.
Słowniczek
(ang.: photoelectric effect) - zjawisko wybijania elektronów z powierzchni materiału pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego. Zjawisko polega na przekazywaniu całej energii fotonu promieniowania elektronowi, zwanego fotoelektronem. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy więc od natężenia promieniowania, a od jego częstotliwości.
(ang.: internal photoelectric effect) - zjawisko zachodzące w półprzewodnikach, w którym pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym są przenoszone do pasma przewodnictwa. Efekt prowadzi do uwolnienia dwóch nośników ładunków - ujemnego elektronu i dodatniej dziury. Minimalna energia fotonów niezbędna do zajścia tego zjawiska równa jest przerwie energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym i przewodnictwa.
(ang.: semiconductor) - materiał, którego zdolność przewodzenia prądu elektrycznego jest mniejsza niż przewodników i większa niż izolatorów. Nośnikiem ładunku w półprzewodnikach są elektrony znajdujące się w paśmie przewodzenia oraz dodatnie dziury, powstające w skutek przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do przewodnictwa.
(ang.: n‑type semiconductor) - półprzewodnik, który wskutek obecności domieszki posiada znacznie więcej elektronów w paśmie przewodnictwa niż dziur w paśmie walencyjnym. Elektrony nazywane są nośnikami większościowymi.
(ang.: p‑type semiconductor) - półprzewodnik, w którym wskutek obecności domieszki, przeważają nośniki typu dziurowego, które stanowią tym samym nośniki większościowe.
(ang.: p‑n junction) - warstwa przejściowa miedzy obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n. Złącze nie posiada swobodnych nośników prądu i stanowi dla nich warstwę zaporową.