Фотоефект широко застосовується в науці і техніці для реєстрації і зміни світлових потоків, для перетворення енергії світла на енергію електричного поля. Використання фотоефекту дало змогу створити звукове кіно й телебачення, уможливило бачення в темряві. Використовують фотоелементи із зовнішнім фотоефектом, в яких світлова енергія, що падає на поверхню катода, перетворюється на енергію електричного струму. Електричний опір напівпровідників зменшується під час опромінювання, цю властивість використовують у фотоопорах. Виникнення електро-рушійної сили (ЕРС) під час опромінювання області контакту двох різних напівпровідників використовують у фотодіодах для безпосереднього перетворення світлової енергії на електричну. Фотоелектронні помножувачі, які посилюють у багато разів початковий фотострум, дають змогу реєструвати випромінювання дуже малої інтенсивності – навіть в один квант.

Фотоелемент − це пристрій, в якому світлова енергія перетворюється в електричну.

Типи фотоелементів:

· із зовнішнім фотоефектом (вакуумні та газонаповнені),

· із внутрішнім фотоефектом (фотоопори),

· вентильні фотоелементи.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом

Вони використовуються у звуковому кіно, різних системах автоматики та телемеханіки, телебаченні. Проте незначна величина фотоструму у фотоелементах із зовнішнім фотоефектом потребує підсилення. Дуже ефективним підсилювачем фотоструму є так званий фотопомножувач Кубецького. Вчений для підсилення фотоструму використав явище вторинної електронної емісії на серії послідовно розміщених електродів-емітерів (рис. 1.11). Кожен електрон, що вибивається світлом з катода, прискорюється і при попаданні на перший емітер вибиває з нього кілька електронів, які знову прискорюються і, попадаючи на наступний емітер, знову збільшують загальний потік електронів і т.д.

Фотоелементи із внутрішнім фотоефектом (фотоопори) – прилади, дія яких ґрунтується на зміні опору напівпровідника під дією світла. У цьому разі електрони не вириваються з речовини, а лише переходять із заповненої зони в зону провідності, збільшуючи електропровідність напівпровідника. Електропровідність, що виникає під дією світла, називається фотопровідністю.

Виготовляють фото опори, або з чистих напівпровідників, або з напівпровідників з домішками. Фотоопори, як і інші фотоелементи, характеризуються селективним сприйманням світла, тобто в них світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі зумовлює неоднакові струми.

Будову фотоопорів показано на рис. 1.12. На ізолюючу підкладку 1 наносять напівпровідникову речовину 2; на кінцях її (речовини 2) випаровуванням у вакуумі напилюють металеві електроди 3. Ці електроди забезпечують надійний електричний контакт з напівпровідником. Для захисту від шкідливого впливу навколишнього повітря фоточутливу поверхню фотоопору покривають прозорою плівкою лаку.

Особливістю фотоопорів є відсутність полярності (однаково проводять струм в обох напрямах), вони мають високу чутливість (в 10⁵ більшу, ніж фотоелементи із зовнішнім фотоефектом), строк їх служби практично необмежений. Використовуються найчастіше при виготовленні фотореле.

Вентильні фотоелементи – це прилади, в яких ЕРС виникає під дією світла. Будуються на властивостях p - n переходу; під дією світла електрони проходять через запірний шар, і на межі двох напівпровідників із різним типом провідності виникає ЕРС.

Розглянемо технологію виготовлення вентильних фотоелементів (рис. 1.13). Спочатку з металевої пластинки, товщиною 1-2 мм, штампують круглий диск 6 − підкладку. На неї наносять шар напівпровідника 5 випаровуванням у вакуумі (0,1 мм завтовшки), після чого цю основну частину фотоелемента піддають термічній обробці. Мета цієї обробки − утворити p-n перехід. Якщо p-n перехід утворюється біля підкладки, то при нанесенні на напівпровідник верхнього електрода беруть метал, на межі з яким запірний шар не утворюється. Можна матеріали для підкладки 6 і верхнього електрода 2 вибрати такі, що запірний шар 4 буде утворюватися біля верхнього металевого електрода. Верхній електрод роблять напівпрозорим (способом випаровування або катодного розпилення), щоб крізь нього в напівпровідник проходило світло. Зовнішню поверхню елемента покривають лаком з метою захисту його від дії повітря і вологи. Весь фотоелемент кріпиться в пластмасовому корпусі 1.

Вентильні фотоелементи мають велике майбутнє як один із засобів безпосереднього перетворення світлової енергії в електричну. Вони використовуються у штучних супутниках і космічних кораблях як джерела живлення радіоапаратури, у вимірювальній техніці, автоматиці тощо.

Тиск світла

Вперше думку про тиск світла висловив Кеплер при спостереженні польоту комети. Він вважав причиною зміщення кометних хвостів у напрямі від сонця тиск світла, проте пояснити цього явища не зміг. Чимало вчених робили спробу спостереження тиску світла, та марно.

Тиск світла настільки малий, що для його надійного вимірювання необхідно було виключити вплив на тонкі пластинки всіх інших факторів. Вплив конвекційних потоків повітря був виключений Лебедєвим шляхом створення в балоні досить високого вакууму. Однак і в цьому випадку залишався не виключеним так званий радіометричний ефект.

Причина його полягає в тому, що темна пластинка нагрівається в результаті поглинання падаючого на нього світла, причому температури освітленої і неосвітленої (задньої) поверхонь пластинок не однакові. Це розходження пов'язане з передачею енергії всередині пластинки шляхом теплопровідності й залежить від товщини й матеріалу пластинки. Молекули розрідженого повітря у балоні, ударяючись об поверхні пластинок і відбиваючись від них, створюють тиск на пластинки. При ударі об більш нагріту світлом передню поверхню пластинки молекули збільшують свою енергію й відскакують із більшими швидкостями, ніж молекули, що відбиваються від задньої поверхні. Тому молекули повітря створюють результуючий тиск на темну поверхню пластинки, що додається до тиску світла. Радіометричний ефект може привести до того, що в досліді тиск на темну пластинку виявиться більшим від тиску на дзеркальну пластинку тих же розмірів.

Лебедєв виключив вплив радіометричного ефекту, використавши у своїх дослідах дуже тонкі пластинки різної товщини від 0,01 до 0,1 мм. Тиск світла на дзеркальну пластинку (з коефіцієнтом відбиття R = l) виявився вдвічі більшим, ніж тиск на темну пластинку (R = 0), що відповідає теоретичній формулі Максвелла.

З квантових уявлень виведемо формулу для тиску світла. Нехай на одиницю площі за одиницю часу падає n фотонів, частина з яких відбивається, частина − поглинається.

ρ − коефіцієнт відбиття;

ρ n − кількість фотонів, що відбилися;

(1 - ρ) n − кількість фотонів, що поглинулися.

При відбиванні передається подвійний імпульс:

− імпульс відбитих фотонів;

− імпульс поглинутих фотонів;

− тиск світла.

Остаточно отримаємо рівняння

де − енергія, що передається одиниці площі за одиницю часу.

Дослід Лебедєва

Якщо будь-яке тіло, що має масу та імпульс, падає на поверхню, воно чинить тиск Р, який визначається за формулою:

де F – сила тиску; S – площа поверхні.

Тоді, якщо світло падає на поверхню, то й фотон має діяти на неї так само, тобто чинити тиск. Вперше було експериментально встановлений і виміряний світловий тиск у 1900 році П. М. Лебедєвим (рис. 1.14). Прилад складався з легкого каркаса із закріпленими на ньому тонкими пластинками. Деякі тонкі пластинки 1 були чорними, а поверхня інших 2 була дзеркальною. Вони підвішувалися на тонкій пружній нитці 3 всередині скляного балона, з якого було відкачено повітря. Світловий тиск на пластинки визначався розміром кута, на який закручувалася нитка. З квантового погляду тиск світла на поверхню будь-якого тіла зумовлений тим, що під час зіткнення з цією поверхнею кожен фотон передає їй свій імпульс. Тиск світла можна визначити за формулою:

де n – кількість фотонів в одиниці об’єму випромінювання, що падає на поверхню; ρ – коефіцієнт відбиття фотонів.

Для чорної поверхні , для дзеркальної – . Таким чином, тиск світла на дзеркальну поверхню вдвічі більший, ніж на чорну. Цей висновок збігається з результатами дослідів Лебедєва. Світловий тиск дуже малий. Наприклад, сила тиску сонячних променів на 1м² чорної поверхні становить .

1 2 345