> Техника, страница 90 > Фотоэлектричество

Фотоэлектричество

Фотоэлектричество. Фотоэлектрические явления возникают при поглощении телом лучистой энергии; кванты (смотрите) света срывают с атомов тела электроны, которые затем м. б. обнаружены в фотоэлектрическом токе. Смотря по тому, где происходит срывание электронов, различают фотоэффект поверхностный (внешний) и объёмный (внутренний). Фотоэффект был открыт в конце 19 в., когда Герц (1887) и Галльвакс (1888) нашли, что металлы под действием ультрафиолетового света теряют отрицательный заряд. Впоследствии фотоэффект был обнаружен во всех веществах для области спектра от инфракрасной до рентгеновской; были установлены его характерные свойства, его безинерционность и независимость от t°. Фотоэлектрические явления, возникающие при взаимодействии квантов и электронов, могли получить свое истолкование только после развития теории квантов; основные закономерности фотоэффекта вытекают из квантовой теории света и являются прямым ее подтверждением. В основе их лежат два положения Эйнштейна. 1) Каждый квант срывает один электрон. Экспериментальная проверка этого положения встречает затруднения, так как не все сорванные светом электроны проявляют себя в фотоэлектрич. токе. Фактически промеренное их число, приходящееся на один квант поглощенной энергии, называют квантовым выходом. Квантовый выход во внешнем фотоэффекте весьма мал (порядка 0,01), во внутреннем—он близок к единице. 2) При столкновении с электроном квант отдает ему свою энергию hv; она тратится в общем случае на то, чтобы: а) освободить электрон из атома и выбросить его через поверхностный слой в другую среду (работа выхода Р); б) сообщить электрону кинетическую mu²

энергию -у-, где v—максимальная скорость электрона. В электростатических единицах эта энергия равна eV, где е—заряд электрона, а V—разность потенциалов, под влиянием которой электрон мог бы приобрести скорость v см/ск. Величину этой разности потенциалов принято называть скоростью электронов в вольтах; энергия электрона V тогда выражается в вольт-электронах. Применяя закон сохранения энергии к каждому отдельному кванту, получаем ур-ие Эйнштейна:

hv=P уу-=P + eV.

Отсюда можно вывести основные закономерности фотоэффекта, установленные экспериментальным путем. 1) Сила фототока, определяемая количеством протекающих по внешней цепи электронов, прямо пропорциональна интенсивности света. Действительно интенсивность светового луча пропорциональна числу квантов, но этому же числу пропорционально число фотоэлектронов. 2) Энергия выброшенного электрона не зависит от интенсивности света, а определяется исключительно частотой света, являясь ее линейной ф-ией. Этот результат непосредственно вытекает из ур-ия Эйнштейна, в к-ром h и т—величины постоянные, а Р имеет для данного тела вполне определенное значение. Интенсивность света сюда не входит. 3) Испускание электронов (во внешнем фотоэффекте) начинается только с не к-рой, для каждого вещества определенной длины световой волны («красная граница»), при меньших частотах срывания электронов не происходит.

Значение границы получается из ур-ия, если положить #=0; hv₀=P. Для этой частоты вся энергия кванта идет только на преодоление работы выхода.

Объемный фотоэффект происходит в тех случаях, когда свет может проникнуть на достаточную глубину внутрь вещества и там срывать электроны. Он наблюдается в газах и парах, в нек-рых жидкостях, в ряде полупро-бодников (селен), наконец в диэлектриках. Основные свойства фотоэффекта м. б. выяснены только на больших крист хороших изоляторов (алмаз, киноварь, каменная соль). Картина первичного процесса срывания электронов внутри кристаллов щелочно-галоидных солей рисуется сл. образом. Кристаллы этих солей, решетка которых построена из расположенных попеременно ионов металла и галоида, имеют сильное «собственное» поглощение в ультрафиолетовой области спектра. Кванты света, соответствующие этой области, срывают электроны с ионов галоида; эти электроны нейтрализуют ионы металла, в результате чего внутри решетки выделяются незаряженные атомы металла и галоида. Атомарное распределение металла вызывает изменение оптич. свойств соли,—появляется новая полоса поглощения, в большинстве случаев в видимой части спектра, и соль окрашивается (каменная соль становится желтой). Если окрашенную соль освещать лучами, поглощаемыми в новой области абсорбции, происходит повторное явление фотоэффекта, но уже с нейтрализованных атомов металла, вкрапленных в решетку, которая т о. приходит в исходное положение, и соль обесцвечивается. Подобная же картина наблюдается и в крист галоидо-серебряных солей, вкрапленных в светочувствительную эмульсию; выделение атомарного серебра и составляет по новейшим данным сущность латентного (непроявленного) фотографического изображения.

Если сорванные светом электроны подхватываются внешним электрич. полем (фигура 1), они начинают двигаться внутри диэлектрика от катода к аноду и дают во внешней цепи фотоэлек-трич. ток (первичный

Фигура 1. Фигура 2.

ток). Диэлектрик в это время теряет свои изолирующие свойства, электропроводность может возрастать в миллионы раз. Это явление фотопроводимости наблюдается и у полупроводников, но там оно осложняется вторичными процессами. Первичный ток по Гуддену и Полю обладает перечисленными выше свойствами, характерными для фотоэлектрич. явлений, то есть прямой пропорциональностью интенсивности света и безинерционностью; сила первичного тока возрастает сначала прямо пропорционально приложенному напряжению, а затем достигает нек-рого постоянного его значения (ток насыщения) (фигура 2). Это состояние наступает тогда, когда все срываемые светом электроны доходят до анода. Кривая е спектрального распределения первичного фототока идет параллельно кривой а поглощения

света (фигура 3); чем больше квантов поглощено, тем сильнее фототок. Если силу фототока отнести к единице поглощенной энергии, максимум пропадает; квантовый выход для всех длин волн на данном участке спектра имеет одно значение, близкое к единице. Этот параллелизм кривых поглощения и фототока набдю-дается однако только для атомарно-окрашенных солей; в области «собственного поглощения» имеются отступления, еще недостаточно выясненные. Вторичный ток возникает в результате прохождения первичного тока: происходит порча кристаллич. решетки, вследствие чего уменьшается ионная проводимость кристаллов, которой все вещества обладают в б. или м. степени. Природа вторичного тока— электролитическая, а не фотоэлектрическая, на что указывают его свойства—инерция, непропорциональность интенсивности света, температурная зависимость. Вторичные токи (исследованы Кезом) особенно сильно выражены в селене и в ряде сернистых соединений; к их

Задерживающей) Ускоряющий потенциал числу относится и таллофид, соединение таллия, серы и кислорода. Широкое практич. применение этих веществ в резистивных фотоэлементах (смотрите) объясняется их большою светочувствительностью.

Внешний фотоэффект наблюдается у всех тел как у проводников, так и у диэлектриков; особенно подробно изучен фотоэффект с металлич. поверхностей. Экспериментальные исследования касаются трех главных характеристик фотоэлектрич. поверхностей: 1) скорости и энергии фотоэлектронов;

2) границы фотоэффекта; 3) спектрального распределения. 1) Скорость и энергия фотоэлектронов. Во внешнем фотоэффекте существенное значение имеет работа выхода, к-рую должен преодолеть электрон, прежде чем попасть в анод. Если энергия кванта больше работы выхода, электрон вылетит с некоторой собственной скоростью, величина которой при одной и той же длине волны падающего света может иметь различные значения, от максимальной до нуля. Максимальная скорость в свою очередь определяется величиной кванта: чем больше квант, тем бблыная его часть, за вычетом работы выхода, идет на «разгон» электрона. Изучение скоростей и энергий .электронов сводится к следующим задачам: а)’ определению зависимости максимальной скорости (или энергии) от величины кванта (частоты света V); б) выяснению закона распределения скоростей при данной длине волны; в) изучению направления вылета электронов. Первые две задачи м. б. решены одним и тем же методом задерживающего поля: испускающая электроны поверхность делается не катодом, а анодом, иначе говоря, прикладывается поле противоположного направления, так что сорвавшиеся электроны должны вернуться обратно. Сила фототока при этом падает (фигура 4). Постепенно увеличивая поле, можно добиться того, что ни один даже самый быстрый электрон не сможет достичь электрода: в этот момент величина задерживающего потенциала как-раз равна максимальной скорости электрона, выраженной в Y (точка Р). Порядок ее в ультрафиолетовых лучах—2—3 V, что соответствует скорцсти в 10⁸ сантиметров few, большие кванты рентгеновых лучей выбрасывают электроны со скоростью порядка сотен Y. Тщательные исследования показали, что: а) зависимость максимальной скорости от^частоты света выражается в точности прямой линией, в полном соответствии с ур-ием Эйнштейна; β) число электронов, имеющих максимальную скорость, весьма мало; наибольшее число электронов имеют скорости ок. 0,4 максимальной; γ) большинство электронов вылетает под прямым углом к направлению пучка.

2) Граница фотоэффекта определяется той частотой ν₀, при которой максимальная скорость электронов равна нулю; отсюда по ур-ию Эйнштейна hv_Q=Р=eV₀, где V₀—энергия в вольтэлектронах. Т. о. граница фотоэффекта всецело определяется работой выхода. Граница фотоэффекта находится или вышеописанным методом задерживающего поля или непосредственно из кривых спектрального распределения. Среди экспериментальных данных существуют большие разногласия, вызванные главным образом чрезвычайной чувствительностью фотоэлектрич. поверхностей к загрязнениям; ничтожные количества посторонних веществ, в особенности газов, абсорбированных и адсорбированных поверхностью, сильно смещают границу фотоэффекта. Среди других факторов следует отметить влияние t° и сильных электрич. полей. Повышение t° обычно уменьшает работу выхода и смещает границу в сторону длинных волн; в том же направлении действует и сильное электрич. поле. Все методы, при помощи которых можно сместить границу фотоэффекта из ультрафиолетовой в видимую и инфракрасную области спектра, имеют"чрезвычайно большое значение для техники фотоэлементов. В настоящее время наиболее точно известны границы фотоэффекта и работы выхода следующих металлов:

Граница фотоэффекта и работа выхода для некоторых металлов.

Вещество		Граница фотоэффекта, А	Работа выхода, Y	Вещество	Граница фотоэффекта, А	Работа выхода, Y
Серебро	20°	2 610	4,43	Никель.	2 483	5,01
»	600°	2 700	4,56	Платина.	1 962	6,30
Золото	20°	2 650	4,82	Палладий.	2 488	4,93
	740°	2 610	4,73	Родий.	2 500	4,57
Железо		2 620	4,72	Тантал 20°.	3 050	4,05
Ртуть		2 735	4,53	» 700°.	3 150	3,92

3) Спектральное распределение. Задача изучения зависимости силы фототока от частоты света имеет очень большое практич. значение, т. к. фотоэлектрич. чувствительность различных поверхностей, применяемых в технике фотоэлементов, м. б. определена только в том случае, если известна кривая спектрального распределения. Различают два типа этих кривых. В первом случае (кривая А, фигура 5) сила фототока плавно увеличивается с частотой, начиная с границы фотоэффекта v_Q; это— кривая нормального фотоэффекта, изученного на чистых металлич. поверхностях. В нек-рых случаях при особом состоянии поверхности, особенно легко достигаемом у щелочных металлов, на фоне нормального эффекта наблюдается резкое увеличение фототока в определенной области спектра (кривая В). Это явление называется селективным фотоэффектом. Характерной особенностью его является его зависимость от направления электрич. вектора в луче света. Если колебания вектора происходят в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (луч поляризован в плоскости падения), наблюдается нормальная кривая спектрального. распределения; максимум появляется только в том случае, если вектор колеблется в плоскости падения. Селективный фотоэффект обычно связан с загрязнением фотокатода, то есть с появлением каких-то соединений па его поверхности ;когдаже действительно удавалось получить совершенно чистую поверхность металла, эффект в данной области ослабевал или вообще прекращался. Этот факт был широко использован в последнее время в технике фотоэлементов, которая выдвигает все новые и новые комбинации светочувствительных слоев; по своему строению они м. б. разделены на два типа. В первом случае мы имеем только два агента: любой тяжелый металл, являющийся подслоем, и адсорбированные на нем атомы щелочного металла, образующие невидимую глазу пленку (тип MX). Во втором случае поверхность фотокатода покрыта сложным соединением, чаше всего—гидридом или оксидом; схема такой поверхности— Μ—ΜΗ—X или М—М₂0—X.

Тонкие (невидимые) пленки. В зависимости от толщины пленки явление носит двоякий характер. При толщине слоя меньше моноатомной, когда щелочной металл расположен островками, электроны вырываются еще из подкладки, и роль чужих атомов сводится к уменьшению работы выхода, вследствие чего эффект передвигается в видимую часть спектра. Наименьшая работа выхода достигается при моноатомном слое. При увеличении толщины слоя начинается фотоэффект с атомов щелочного металла и появляется кривая селективного фотоэффекта, достигающая максимального значения при двух-, трех атомном слое.

Сложные слои. Состав сложных поверхностей, употребляемых в технике фотоэлементов, весьма разнообразен; т. к. во всех случаях мы имеем значительное увеличение чувствительности по сравнению с поверхностью чистого металла, представляется уместным говорить о сенсибилизации" фотокатодов; она может происходить различными путями и под воздействием различных веществ. Обычный метод заключается в следующем: на поверхность фотокатода дистиллируется тот или иной щелочной металл, затем в фотоэлемент вводятся следы сенсибилизирующего вещества; таковыми обычно служат водород, кислород, сера и теллур; азот оказывается неактивным. Это—первая стадия сенсибилизации; она ведет к образованию нечувствительных бесцветных соединений—гидридов или оксидов. Увеличение чувствительности происходит при дальнейшей обработке, которая заключается в том, что на поверхность вторично дистиллк-

Фигура 5.

руются следы щелочного металла (очевидно получается 1 тип), или же в том, что тем или иным способом—пропусканием тихого разряда, воздействием катодных лучей—добиваются окрашивания слоя (фигура 6, где I—кривая фототока для калия до сенсибилизации, II—кривая

фототока после сенсибилизации). На фигуре 7 приведены кривые для ряда сложных поверхностей (I—Cs на оксиде цезия, II—Cs на Mg, III— Na—S—Na); максимум в большинстве случаев лежит в видимой части.

Природа селективного фотоэффекта, то есть причина, вызывающая резкое увеличение эмиссии в определенной части спектра, еще не вполне выяснена. Наиболее естественным является предположение, что селективный фотоэффект связан с избирательным поглощением света и что, так же как и в случае внутреннего фотоэффекта, мы имели бы исчезновение максимума или бы стали относить силу фототока к единице поглощенной энергии. Для проверки этого предположения необходимо: 1) промерить кривую истинного поглощения; 2) удостовериться в том, что фотоэлектрич. поверхность обладает дихроизмом (смотрите), то есть что спектр ее зависит от направления электрич. вектора. Это обстоятельство действительно было обнаружено для тонких пленок: слой калия на платине поглощает свет только в том случае, когда электрич. вектор колеблется в плоскости падения, то есть когда имеет место фотоэффект. Что касается поглощения, то здесь затруднения заключаются в том, что до сих пор не удавалось узнать ту долю поглощенной энергии, которая идет действительно на срывание электронов; ряд косвенных наблюдений однако все более и более подтверждает мысль о чисто оптич. природе селективного фотоэффекта.

Вентильный фотоэффект, или фотоэффект в запорном слое (Sperrschichteffekt), имеет место на границе соприкосновения двух тел в том случае, если между ними существует очень тонкий зазор или прослойка плохо проводящего вещества (запорный слой) толщиной ок. 10“⁶ см; наличие фотоэффекта связано с существованием односторонней проводимости (вентильности) в этом слое. Эффект наблюдается в ряде полупроводников, среди которых особое место занимает к у п р о к с (закись меди Си₂0); запорный слой в этом случае представляет собой повидимому тонкую (порядка 1СГ⁶ см) прослойку бедной примесями закиси меди, обладающей большим сопротивлением, чем обычная закись меди, загрязненная кислородом. Кроме купроксных фотоэлементов известны фотоэлементы селеновые, карборундовые, сернистосвинцовые и др. На фигуре 8 дана схема вентильного фотоэлемента; здесь и—полупрозрачный металлич. электрод, Ь— слой закиси меди, с—медь, являющаяся дру-* гим электродом. Смотря по тому, у какого электрода находится запорный слой, у заднего

(по отношению к свету) или у переднего, различают фотоэффект тыловой и фронтовой. Последний очевидно сильнее, т. к. свет не должен проходить через весь слой закиси меди. Срывание электронов происходит как в металле, так и в полупроводнике, но в последнем случае квантовый выход больше, и из полупроводника в металл будет идти больше электронов, чем в обыкновенном направлении. Вследствие этого металл будет заряжаться отрицательно, а полупроводник положительно, и, если между ними есть запорный слой, возникнет разность потенциалов, которая будет во внешней цепи давать фотоэлектрич. ток. Порядок этой разности потенциалов для купрокса ~ 0,4V, для селена ~0,24V, т. о. здесь можно говорить о непосредственном преобразовании световой энергий в электрическую. Ничтожный достигнутый до сих пор кпд (0,01—0,1%, в лучшем случае—2%) не позволяет пока говорить о практич. применении вентильных фотоэлементов для этой цели, но в других областях они по своей дешевизне и простоте устройства (отпадает необходимость в добавочном напряжении для разгона электронов), а также по спектральному распределению (значительная чувствительность в инфракрасной области, фигура 9) начинают конку-

фигура 8. Фигура 9.

фотоэлементами несмотря на ряд недостатков: здесь, как во внутреннем фотоэффекте, первичный электронный процесс маскируется целым рядом вторичных явлений, вызывающих инерционность, температурную зависимость и непропорциональность интенсивности света.

Лит.: Иоффе А., Элементарный фотоэлектрич. эффект, СПБ, 1913; Хвольсон О., Курс физики, 2 часть дополнигельного тома, М.—Л., 19 26; его же, Курс физики, т. 1, 7 изд., М.—Л., 19 33; Наследов Д. и Йемен о в Д., Твердые выпрямители и фотоэлементы, М.— Л., 1933; «Труды конференции по твердым выпрямителям и фотоэлементам», 19 31; «Журнал техн. физики», 19 31, г. 1, вып. 7, стр. 6 29—731; Р о h 1 R. u. Pringsheim Р., Die lichtelektrischen Erscheinungen, Brschw., 1914; Hughes A., Photo-Electricity, Cambridge, 1919; Allen H., Photo-Electricity, 2 ed., L., 1925. С. Таубман.