VAKUM FOTOSEL

Etkisi harici fotoelektrik etkiye dayanan en basit vakum fotoseli türü Şekil 6'da gösterilmektedir. Yarısı iç kısmı hassas bir katmanla kaplanmış, içi boşaltılmış küçük bir cam kaptır. Fotoselin amaçlandığı spektral bölgeye bağlı olarak farklı katmanlar kullanılır: gümüş, potasyum, sezyum, antimon-sezyum vb. Bu katman katot K görevi görür. Anot genellikle bir A halkası şeklinde alınır. Bir pil kullanılarak katot ile anot arasında potansiyel bir fark uyarılır. Aydınlatma olmadığında fotosel devresinde akım olmaz. Işık devredeki katoda çarptığında

akım ortaya çıkar. Fotoselin hassasiyetini arttırmak için düşük basınçta bir miktar inert gazla doldurulur.

VALF FOTOĞRAF EFEKTÖRÜ

Geçit fotoelektrik etkisi olarak adlandırılan bariyer katmanındaki fotoelektrik etkiyi esas alan fotoseller, üzerlerine gelen ışınım enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler, dolayısıyla çok az da olsa elektrik enerjisi üreteci olurlar. düşük güç. Harici ve dahili fotoelektrik efektli fotoseller gibi harici bir voltaj kaynağına ihtiyaç duymazlar.

Geçit fotoelektrik etkisinin görünümü, birbiriyle temas halinde olan elektron ve delik yarı iletkenlerinden oluşan sistemlerde gözlenir. Bu durumda iki yarıiletkenin arayüzeyinde farklı

İletim mekanizmaları sözde üretir r-p ana taşıyıcıların karşılıklı nüfuz etmesi nedeniyle geçiş. Bu katmandaki elektrik alanı, çoğunluk taşıyıcıları katmanı boyunca daha fazla geçişi engelleyecek ve azınlık taşıyıcılarının hareketini teşvik edecek şekilde yönlendirilir (bkz. Şekil 7). Sonuç olarak I 0 = I n dengesi kurulacak ve kontaktan akım geçmeyecektir.

Aydınlatıldığında R Bir yarı iletkende elektronlar ve delikler ışıkla serbest bırakılır. Serbest bırakılan taşıyıcılar, yaratıldıkları ve artan miktarlarda mevcut oldukları bölgeden az oldukları yerlere doğru hareket ederler. Aydınlatılan yüzeye olan mesafe ise r-pçok az geçiş vardır, ışığın ürettiği tüm elektronlar P-bölge. Delikler ise tam tersine temas nedeniyle gecikecektir.

sahaya çık ve kal R-bölgeler Ana akım taşıyıcılarının birikimi var. Şimdi I 0, I n'ye eşit değildir, yani. başından sonuna kadar r-p dirençte olan akımın akacağı kapatma yönünde geçiş r-p geçiş potansiyel bir fark yaratarak temas potansiyeli farkını azaltır. Bu fotoakım I f =en'e eşittir, burada e elektronun yüküdür, n ise ışığın bir saniyede oluşturduğu elektron sayısıdır (çift sayısı). Akım taşıyıcılarının konsantrasyonunun artmasına paralel olarak oluşturdukları elektrik alanı da artmakta, bu da onların blokaj katmanından daha fazla geçişini engellemektedir. Bir noktada dinamik denge oluşur; bariyer katmanı boyunca hareket eden azınlık akım taşıyıcılarının sayısı bir ve diğer yönde aynı olacak ve elektrotlar arasında elektromotor kuvvet adı verilen belirli bir potansiyel fark oluşacaktır.

Üzerinde çalışılan valf fotosellerinin temel özellikleri akım-gerilim, ışık ve spektral özelliklerdir.

Akım-gerilim özellikleri, aydınlatılmış bir fotosel tarafından üretilen foto akımın I F, çeşitli yük dirençlerine R bağlandığında uygulanan U gerilimine bağımlılığını temsil eder (bkz. Şekil 8). Akım-gerilim karakteristiğinin apsis ekseni ile kesişme noktaları, fotoselin elektromotor kuvvetini ve ordinat ekseni ile kısa devre akımının büyüklüğünü verir. Kısa devre akımı gelen ışığın gücü ve emk ile orantılıdır. fotoselin aydınlatması değiştiğinde doyma eğiliminde olacaktır. Kısa devre akımı genellikle fotosellerin hassasiyetini belirler. İntegral ve spektral parlaklıklar vardır.

Fotoselin g u integral duyarlılığı, kısa devre foto akımı I'in olaydaki beyaz ışık Ф ışık akısına oranıdır:

Spektral hassasiyet, kısa devre akımı I'in dalga boyu l olan monokromatik radyasyonun ışık akısı F l'ye oranıdır:

fotoelektrik vakum akım-gerilim valfi

Duyarlılığın radyasyonun spektral bileşimine keskin bir şekilde bağlı olması karakteristiktir.

Spektral özellikler, birim enerji başına fotoakım gücünün gelen ışığın dalga boyuna bağımlılığını ifade eder. Çoğu durumda, spektral karakteristik belirgin bir maksimuma sahiptir (bkz. Şekil 9). İnsan gözüne en yakın spektral özellikler, maksimum dalga boyu 0,59 mikron olan selenyum fotoselleridir.

Valf fotosellerinin ışık özellikleri, fotoakımın gücünün (veya fotoelektromotor kuvvetin) gelen ışık akısı F'nin büyüklüğüne bağımlılığını ifade eder. Bu bağımlılıklar doğrusallıktan sapar, ne kadar belirgin olursa, harici devrenin direnci o kadar büyük olur. Böylece, Şekil 10'dan, ışık akısının yoğunluğunun artmasıyla fotovoltaj değerinin arttığı ve yüksek aydınlatma koşullarında doygunluğa ulaştığı açıktır.

Kapı fotoselinin yapısı Şekil 11'de şematik olarak gösterilmektedir. Selenyum fotosellerinde ana yarı iletken katmanı oluşturan kristal selenyum (katman 3) delik iletkenliğine sahiptir. Üzerine atomları selenyumun içine yayılan yarı saydam bir metal tabakası (katman 1) uygulanır, böylece selenyumun yüzeye yakın katmanı elektronik iletkenlik kazanır (katman 2). Yarı saydam metal katmandan (1) ve ince bloke edici katmandan (2) geçen ışık, ana yarı iletkene (3) girer, ancak emilim nedeniyle derinlemesine nüfuz etmez. Ortaya çıkan fotovoltaj metal elektrotlar 1 ve 4'ten uzaklaştırılır.

Fotoelektrik etki (hem harici hem de dahili), bilim ve teknolojide (televizyonda, uzay teknolojisinde) çeşitli uygulamalar alan fotoelektronik cihazlarda (fotoseller, fotodiyotlar, fotodirençler, fotomultiplierler) kullanılır.

Valf foto efekti, veya bloklama katmanındaki fotoelektrik etki - dahili fotoelektrik etki nedeniyle, metal ile yarı iletken arasındaki temasın yakınında veya p ve n tipi yarı iletkenler arasında bir potansiyel farkı meydana gelir. Valf fotoseli.

Metal elektrota (1), ince yarı saydam bir altın (4) tabakasıyla kaplanmış bir yarı iletken (2) tabakası uygulanır ve elektrot görevi gören bir metal halka (5) ona sıkıca bastırılır. Yarı iletken ile altın katman arasında, elektronları yarı iletkenden altına yalnızca bir yönde geçirme özelliğine sahip bir ara katman (3) ortaya çıkar.

İki yarı iletkenin temas alanındaki bir p-n bağlantısını ışıkla aydınlatırsanız, bağlantı noktasından oldukça kolay geçen ek yük taşıyıcıları (p bölgesindeki elektronlar, n bölgesindeki delikler) ortaya çıkar. Sonuç olarak, p bölgesinde aşırı pozitif yük, n bölgesinde ise aşırı negatif yük oluşur. Bu yarı iletkenlerin temas noktalarında elektron radyasyonu kuantumu emildiğinde ortaya çıkan potansiyel farkına denir. fotoelektrot görme kuvveti(foto-EMF). Böyle bir örnek kapalı bir devreye dahil edilirse, o zaman elektrik buna denir fotoakım. Düşük ışık akılarında foto-EMF'nin değeri, kristale gelen akı ile orantılıdır. Valf fotoelektrik etkisi fenomenine dayanarak güneş panellerinin etkisi. Onlarcadan birkaç yüz bine kadar silikon p-n bağlantılarından yapılmış elemanları temsil ederler. sırayla. Solar panellerışık enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

9.Dalga-parçacık ikiliği

Ancak ışığın girişim ve kırınımı olgusu bu teoriye uymuyordu. Elektrik alan teorisi ve Maxwell denklemleri: ışık basittir özel durum elektrik dalgaları, yani elektrik alanlarının uzayda yayılma süreci.

Dalga optiği yalnızca parçacık teorisi kullanılarak açıklanamayan olayları değil, aynı zamanda bilinen tüm olayları da açıkladı.

20. yüzyılın başında dalga teorisiyle açıklanamayan olaylar keşfedildi. Bunlar ışık basıncı, fotoelektrik etki, Compton etkisi ve termal radyasyon yasalarıdır. Parçacık teorisi çerçevesinde bu fenomenler mükemmel bir şekilde açıklandı. Max Planck cisimciklere ışık kuantumu, Albert Einstein ise onlara foton adını verdi. Bu iki teori birbirini tamamen tamamlıyordu.

Hem dalga hem de parçacık teorilerini birleştiren bir teori kuantum fiziğidir. Parçacık veya dalga teorilerini reddetmiyor

Işık– zıt özelliklerin diyalektik birliği: aynı anda sürekli elektromanyetik dalgaların ve ayrık fotonların özelliklerine sahiptir.

Dalga boyu azaldıkça taneciksel özellikler ortaya çıkar. Kısa dalga radyasyonunun dalga özellikleri zayıftır (örneğin X ışınları). Aksine, uzun dalga kızılötesi radyasyon zayıf kuantum özellikleri sergiler.

Ekranın çeşitli noktalarındaki aydınlatma, fotonların ekrandaki bu noktalara çarpma olasılığı ile doğru orantılıdır ancak aydınlatma aynı zamanda dalga genliğinin karesi ile orantılı olan ışık yoğunluğu I ile de orantılıdır. A 2, çıktı: Herhangi bir noktadaki ışık dalgasının genliğinin karesi, fotonların o noktaya çarpma olasılığının ölçüsüdür.

Kapı fotoEMF'si - Bir yarı iletkende ışık tarafından oluşturulan elektron-delik çiftlerinin uzaysal ayrılmasından kaynaklanan EMF Elektrik alanı geçiş, heteroeklem, elektrot yakınında bariyer. Valf fotoelektrik etkisi ile, kendileri fotoEMF üreteçleri olduğundan fotosele bir elektrik alanı uygulanmaz. Valf fotoelektrik etkisine sahip fotosellerin karakteristik bir özelliği, yarı iletken ile elektrot arasında bu katmanın düzeltici etkisine neden olan bir bloke edici katmanın bulunmasıdır (Şekil 1.17).

Geçit fotoelektrik etkisine sahip yarı iletken katman, yalnızca dirence değil aynı zamanda kapasitansa da sahiptir ve ışıkla aydınlatıldığında bir doğrultucu ve emf kaynağıdır. İncirde. 1.17 Cu plaka (4) elektrotlardan biridir. Üstte, havadaki bakırın ısınması nedeniyle ince bir bakır oksit Cu 2 0 tabakası (2) ile kaplanmıştır. Yüksek sıcaklık. Bariyer tabakası (3), Cu20 ile bakır arasındaki arayüzde oluşturulur. Üstüne (1) ince, yarı saydam bir altın tabakası uygulanır. Yandığında, elektrot 1 ve 4 arasında bir potansiyel farkı ortaya çıkar.

Bu elektrotlar bir galvanometre aracılığıyla bağlanırsa, ışık geldiğinde bakırdan Cu20'ya yönlendirilen bir fotoakım ortaya çıkar. Bakır oksit fotosellerin fotoiletkenliği deliklerin hareketinden kaynaklanır. Metal-yarı iletken arayüzündeki ince bir engelleme katmanı (d » 10 - 7 m), fotoselin engelleme etkisine ve 1 V'a kadar fotovoltajın ortaya çıkmasına neden olur. Bu durumda ışığın ışıma enerjisi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. . Fotosel verimliliği ~%2,5.

Compton etkisi

Compton fenomeni, bir maddenin atomları tarafından saçılan X ışınlarının dalga boyunda, fotoelektrik etkinin eşlik ettiği bir artıştan oluşur. Klasik dalga teorisi açısından bakıldığında, saçılan radyasyonun dalga boyu, gelen radyasyonun dalga boyuna eşit olmalıdır.

Compton deneyinin şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.18, burada S x-ışını kaynağıdır; D 1 ve D 2 - dar bir X-ışını ışını oluşturan diyaframlar; A, X-ışınlarını saçan ve daha sonra C spektrografına ve F fotoğraf plakasına düşen bir maddedir.

Compton fenomeni aşağıdaki modellerle karakterize edilir:

1. Maddenin atom numarasına bağlıdır. 2. Saçılma açısı arttıkça Compton saçılımının şiddeti artar. 3. Saçılma açısı arttıkça dalga boyu kayması da artar.

4. Aynı saçılma açılarında dalga boyu kayması aynıdır

Bir X-ışını fotonu bir elektronla etkileşime girdiğinde, elektron enerji (W) alır ve momentum (p = mv) atomu terk eder (geri tepme elektronu) ve saçılan fotonun enerjisi ve momentumu azalır (Şekil 1.19).

Compton etkisinde saçılan bir fotonun dalga boyundaki değişimi bulmak için momentumun korunumu yasasını uygularız.

ve enerjinin korunumu kanunu

W f + W 0 = W +,

parçacığın toplam enerjisi nerede

.

Momentumun korunumu yasasından parçacığın (elektronun) momentumunu buluruz.

Örneğin, Şekil 2'ye göre. 1.19 (kosinüs teoremi)

Fotonun hareketinin göreli doğasını hesaba katarak,

W f = hn= r f s.

Bunu dikkate alarak, enerjinin korunumu yasasını şu şekilde temsil ediyoruz:

(6.18) ve (6.19)'u birlikte çözersek ve karesini aldıktan sonra şunu elde ederiz:

, (1.34)

(1.35)

Gelen ve saçılan fotonların darbeleri; j - saçılma açısı;

c ışık hızıdır; h Planck sabitidir.

Dalga boyu ve frekans arasındaki ilişkiyi şu şekilde kullanarak:

Ve