4.Практичне застосування фотоефекту

Різні прояви явища фотоефекту знайшли широке практичне застосування в техніці. Зокрема, у напівпровідників було виявлено також внутрішній фотоефект, який проявляється у зростанні електропровідності та виникненні ЕРС під час їх опромінення.

Фотопровідність — зростання електропровідності напівпровідників під дією світла. Фотон, поглинаючись напівпровідником, віддає електронам усю свою енергію; внаслідок цього вони можуть стати вільними і збільшиться число електронів провідності й дірок (так звана власна фотопровідність). Отже, фотопровідність напівпровідників зростає пропорційно інтенсивності опромінення — чим вона більша, тим більший електричний струм. Вона також залежить від частоти випромінювання, проте характер цього зв'язку складніший. Ці властивості напівпровідників використовують у фоторезисторах і фотодіодах.

Фоторезистор — це напівпровідниковий прилад (мал. 6.4), опір якого змінюється залежно від його освітленості: чим більша сила світла, що на нього падає, тим менший його опір. Адже під дією світла у напівпровіднику утворюються додаткові носії електричного заряду — пара «електрон—дірка», які збільшують провідність матеріалу, а отже, зменшують його опір.

У напівпровідникових фотодіодах (мал. 6.5), які увімкнені в коло в запірному напрямі р-и-переходу, під дією оптичного випромінювання виникає однобічна провідність. Це пояснюють тим, що внаслідок опромінення в напівпровідниках зростає концентрація електронів і дірок. Під дією електричного поля неосновні носії заряду (електрони в напівпровіднику р-типу і дірки в напівпровіднику п-типу) легко долають запірний шар р-п-переходу і в колі виникає струм.

Фоторезистори і фотодіоди широко використовують у засобах автоматики, де потрібно враховувати зміну світлового потоку, наприклад, в охоронних системах, пропускних турнікетах метрополітену, пристроях відтворення звуку.

Під дією світла в напівпровідниках може виникати фотоЕРС, зумовлена просторовим розподілом носіїв заряду, що з'являються у напівпровіднику внаслідок нерівномірного поглинання випромінювання (мал. 6.6). Концентрація носіїв заряду поблизу грані 1, що освітлюється, набагато вища, ніж біля протилежної, затемненої грані 2. Електрони і дірки дифундують від грані 1 до грані 2, проте через неоднакову їх рухливість в об'ємі напівпровідника відбувається перерозподіл заряду, який створює електричне поле Е. Наявність електричного поля підтримує різницю потенціалів, внаслідок чого існує фотоЕРС.

Утворення фотоЕРС використовують у різних приладах, призначених для вимірювання потужності випромінювання, сонячних батареях, які застосовують у космічній техніці тощо.

Останнім часом в електронних пристроях і засобах сигналізації широко використовують фотоелементи. В основу їх дії покладено властивість фотокатода здійснювати емісію електронів під впливом випромінювання. Фотокатод складається з тонкої плівки фотоемісійного матеріалу, нанесеної на пластинку, що опромінюється. Фотокатод разом з анодом вміщують у скляну колбу, з якої викачано повітря (вакуумний фотоелемент), або наповнюють її газом (газонаповнений фотоелемент).

В електричному колі фотоелемента, який не опромінюється (мал. 6.7), електричний струм відсутній, оскільки між катодом і анодом немає вільних носіїв заряду. Під час освітлення фотокатода утворюються фотоелектрони, які прямують до анода, тобто в колі виникає електричний струм. Залежно від матеріалу фотокатода такий прилад може мати різні оптичні властивості. Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіо-летового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.

ЗАПИТАННЯ

1. У чому полягає суть явища фотоефекту?

2. Послідовністю яких фізичних процесів є фотоефект?

3. Чому явище фотоефекту спостерігається лише за певного приєднання джерела струму?

4. Поясніть суть кожного із законів фотоефекту.

5. За яких умов може відбуватися фотоефект?

6. Чому червона межа фотоефекту залежить від хімічної природи металу? Що ще впливає на її значення?

7. Чому ефект Комптона вважають остаточним підтвердженням квантової гіпотези світла?

8. У чому полягає суть досліду Комптона?

9. Чому хвильова теорія неспроможна пояснити ефект Комптона?

10. Чому ефект Комптона не спостерігається в оптичному діапазоні випромінювання?

11. Які прилади побудовані з використанням явища фотоефекту?

12. Що таке фотопровідність? Від чого вона залежить?

13. Поясніть дію фоторезистора або фотодіода як засобів автоматики.

14. Де застосовують фотоелементи, фотодіоди і фоторезистори?