Warto przeczytać

Efekt fotoelektryczny zewnętrzny

Efektem fotoelektrycznym zewnętrznymefekt fotoelektryczny zewnętrznyEfektem 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 $E_e$ jest energię kinetyczną wybitego elektronu, $E$ jest energią fotonu, a $W$ – pracą wyjścia.

Pamiętając, że energia fotonu jest iloczynem stałej Plancka ($h=\mathrm{4,14}·{10}^{-15}\mathrm{eV}·\mathrm{s}$) i częstotliwości promieniowania, otrzymujemy wyrażenie

Aby zaszło zjawisko fotoelektryczne energia fotonu musi przewyższać pracę wyjścia ($h\cdot f>W$). Graniczną częstotliwością jest więc częstotliwość określona jako: $f_{gr}=W/h$.

Fotokomórka

RnL6I2de5cB4e

Rys. a. Zdjęcie przedstawia pionowy cylinder zaokrąglony od góry. W przedniej ściance walca znajduje się przezroczyste okienko, które zajmuje około polowy wysokości walca. Za okienkiem widać pionowy pręcik zakończony u dołu metalowym krążkiem, którego dolna część zasłonięta jest przez nieprzezroczystą ściankę. Z dolnej podstawy cylindra wystają dwa pionowe, metalowe bolce. Obok urządzenia umieszczono pionowo monetę jednozlotową dla porównania wielkości. Walec z bolcami jest około cztery razy wyższy od monety.

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.

R11HNx4PmYA4w

Rys. 2. Rysunek przedstawia dwa obwody elektryczne. Obwód z lewej strony składa się z fotokomórki, elektromagnesu i źródła prądu. Fotokomórka przedstawiona jest jako poziomy prostokąt z zaokrąglonymi wierzchołkami. Wewnątrz prostokąta blisko pionowych krawędzi znajdują się 2 krótkie pionowe odcinki. Odcinek z lewej strony symbolizuje katodę i oznaczony jest literą wielkie K ze znakiem minus. Odcinek z prawej strony symbolizuje anodę i oznaczony jest literą wielkie A ze znakiem plus. Na katodę pada foton, co przedstawiono symbolicznie jako falistą linię skierowaną w lewo i w dół, która kończy się na katodzie. Do anody podłączono przewód połączony z lewym końcem elektromagnesu, który przedstawiono jako poziomy, metalowy cylinder z nawiniętym na nim przewodem. Przewód wychodzący z prawej strony elektromagnesu połączony jest z dodatnim biegunem źródła prądu, które znajduje się na dole obwodu. Źródło prądu przedstawiono jako dwa pionowe odcinki. Dłuższy, cienki odcinek znajdujący się z prawej strony symbolizuje biegun dodatni. Krótszy, gruby odcinek znajdujący się z lewej strony symbolizuje biegun ujemny. Biegun ujemny połączony jest przewodem z katodą fotokomórki. Napięcie na biegunach źródła prądu oznaczono literą wielkie U. Obwód z prawej strony rysunku składa się z przełącznika, lampy i źródła prądu. Przełącznik znajduje się dokładnie naprzeciwko prawego końca elektromagnesu z pierwszego obwodu. Składa się z dwóch metalowych blaszek. Jedna blaszka przymocowana jest od dołu do ruchomego pionowego pręta. Pręt przyczepiony jest z prawej strony do poziomej sprężyny, która przyciąga pręt do pozycji pionowej, w której ruchoma blaszka styka się z drugą nieruchomą blaszką. Gdy przez elektromagnes płynie prąd, ruchoma blaszka jest przyciągana przez elektromagnes. W takiej właśnie pozycji przedstawiony jest przełącznik. Pręt z ruchomą blaszką odchylony jest od pionu i skierowany w górę i lewo w kierunku elektromagnesu. Od nieruchomej blaszki poprowadzono przewód do lampy przedstawionej symbolicznie jako kółko z ukośnym krzyżykiem. Od lampy przewód prowadzi do prawego, ujemnego bieguna źródła prądu. Lewy, dodatni biegun połączony jest z ruchomym prętem przełącznika.

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

RGWJlFIIzFOzL

Rys. 2a. Zdjęcie przedstawia cylinder ustawiony poziomo. Przednia ścianka cylindra jest usunięta i widać jego wnętrze. Przez środek cylindra przechodzi cieńszy walec, do którego wchodzi od prawej strony metalowy pręt, który kończy się bolcem wystającym z prawej podstawy cylindra. Całe wnętrze cylindra wypełnione jest metalowymi elektrodami w postaci blaszek ustawionych prawie prostopadle do osi cylindra, ale nieco nachylonych w stronę osi. Każda z elektrod połączona jest metalowym prętem z bolcem wystającym z prawej podstawy cylindra.

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 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.

RgtN8Je5nD9og

Rys. 3. Z lewej strony rysunku znajduje się szary kwadrat podpisany jako scyntylator. Od prawej strony kwadrat styka się z poziomym prostokątem. Blisko lewej krawędzi prostokąta znajduje się pionowy odcinek podpisany jako fotokatoda. Po obu stronach poziomej osi prostokąta narysowano pary elektrod zwanych dynodami, które przedstawiono jako ukośne odcinki. W każdej parze jedna dynoda znajduje się nad osią i skierowana jest w prawo i dół, a druga dynoda znajduje się pod osią i skierowana jest w lewo i górę. Przy prawej krawędzi prostokąta znajduje się anoda przedstawiona jako łuk skierowany wypukłością w prawo i górę. Z lewej strony do scyntylatora wpada foton promieniowania jonizującego, który przedstawiono symbolicznie jako falistą linię skierowaną w prawo i w dół, która kończy się w punkcie wewnątrz scyntylatora. Od tego punktu wychodzą w prawo trzy przerywane, faliste linie symbolizujące fotony świetlne. Jeden z fotonów wpada na katodę i wybija z niej elektron. Tor elektronu symbolizuje przerywany odcinek, skierowany w prawo i w górę. Odcinek zaczyna się w punkcie na katodzie, do którego dotarł foton, a kończy się na pierwszej górnej dynodzie. Z dynody elektron wybija dwa elektrony, których tory przedstawione są jako przerywane, łagodne łuki skierowane w dół i kończące się na pierwszej dolnej dynodzie. Każdy z elektronów wybija z dolnej dynody po dwa elektrony. Tory elektronów w postaci czterech przerywanych łagodnych łuków skierowane są w prawo i górę i kończą się na drugiej górnej dynodzie.

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 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 półprzewodnikachpółprzewodnikpółprzewodnikach, 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 wewnętrznymefekt fotoelektryczny wewnętrznyzjawiskiem 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 zewnętrznymefekt fotoelektryczny zewnętrznyzjawisko 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 (nadmiarowy)Półprzewodnik typu n to taki, w którym wskutek obecności domieszki przeważają nośniki ujemne. W półprzewodniku typu ppółprzewodnik typu p (niedomiarowy)półprzewodniku 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‑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