EFECTUL   

FOTOELECTRIC

Lazar Adriana

Cls.XI E

Efectul Fotoelectric

1.Caracteristica tensiune-curent a efectului fotoelectric

Emisia de electroni din suprafetele corpurilor in urma actiunii anumitor radiatii electromagnetice asupra acestor suprafete poarta numele de efect fotoelectric. Si pentru ca este vorba de scoaterea electronilor din masa corpurilor iradiate,el se mai numeste efect fotoeletric extern.A fost descoperit de H.Hertz in 1887.In fig.I este data schema unei experiente pentru studiul cantitativ al efectului fotoelectric. Intr-o incinta vidata se afla 2 placi metalice A si K. Prin fereastra P suprafata K poate fi iradiata din afara cu lumina monocromatica. Cu o sursa de tensiune E putem face ca electrodul K sa fie ne 14114p157o gativ sau pozitiv fata de A. Cand e negativ, electronii emisi prin efect fotoelectric (fotoelectronii) sunt accelerati spre A, stabilindu-se astfel un curent ce poate fi masurat cu galvanometrul G. Marind diferenta de potential U , intensitatea curentului creste pana ce atinge o valoare maxima,constanta, numita curent de saturatie Is(fig.2) . In absenta tensiunii intre electrozi (U=0), galvanometrul indica un curent Ie, ceea ce dovedeste ca electronii scosi din suprafata K au o energie cinetica ce le permite sa ajunga la A, inchizand astfel circuitul. Pentru micsorarea acestui curent Io, trebuie inversata polaritatea celor doi electrozi:A trebuie sa fie negativ fata de K pentru a respinge fotoelectronii proveniti din K. Marind acest potential "intarzietor", curentul poate fi redus pana la zero pentru o valoare Uo care face ca nici un fotoelectron emis de K sa nu mai poata ajunge la A. Curba din fig.2 se numeste caracteristica tensiune - curent a efectului fotoelectric. Intensitatea de saturatie Is a curentului de fotoelectroni este atinsa pentru acea valoare a potentialului accelerator U, la care toti electronii scosi din suprafata K de catre lumina incidenta in unitatea de timp sunt colectati de anodul A in aceeasi unitate de timp.

2. Legile efectului fotoelectric

a)Curentul de fotoelectroni apare numai daca lungimea de unda a radiatiei incidente este mai mica decat o valoare l0 numita pragul rosu al efectului fotoelectric.

b)Intensitatea curentului de saturatie este direct proportionala cu fluxul luminos incident.

c)Energia cinetica a fotoelectronilor nu depinde de marimea fluxului luminos , ci de frecventa luminii incidente.

d)Efectul fotoelectric este practic instantaneu .

3.Explicarea legilor efectului fotoelectric.Fotonul

Legile de mai sus, stabilite direct pe cale experimentala, nu au putut fi explicate in cadrul teoriei ondulatorii a luminii.Intr-adevar, considerand o unda electromagnetica luminoasa ce cade pe un metal, ne-am putea explica emisia prin aceea ca electronii din metal sunt pusi in oscilatie de catre campul electric variabil al undei;daca fortele ce mentin electronii in metal nu sunt suficient de mari ei vor putea fi scosi in urma acestor oscilatii fortate, datorita energiei cinetice de oscilatie capatata in cimpul undei. Deoarece insa amplitudinea oscilatiilur electronice trbuie sa fie proportinala cu amplitudinea de oscilatie a campului electric, ar rezulta ca energia cinetica de oscilatie a electronilor trebuie sa fie proportionala cu amplitudinea undei incidente. Prin urmare, energia cinetica a electronilor expulzati din metalin urma acestor oscilatii ar trebui sa depinda de intensitatea luminii incidente. Experienta insa nu pune in evidenta nici un fel de dependenta a energiei fotoelectronilor de intensitatea luminii, ci de frecventa ei, aratand de exemplu ca radiatiile violete dau electroni mai rapizi decat cele rosii.

Aceste legti au putut fi explicate numai dupa cercetarea mai profunda a schimbului de energie intre lumina si substanta in procesul fotoelectric. In 1900 Planck a descoperit ca radiatiile electromagnetice sunt emise in "portii" mici numite cunte sau fotoni a caror energie e este data de : e = hn unde u este frecventa

radiatiei, iar h =6,624.10 . Einstein,in1905, face ipoteza ca si in procesul de absorbtie de catre substanta, lumina manifesta proprietati cuantice. El reuseste sa explice legile de baza ale fotoefectului considerand ca in acest proces fotonii de frecventa u,

comunica energia cate unui electron liber din interiorul metalului. Deci absorbtia de energie nu este un proces continuu, ci este similara cicnirii dintre 2 particule.Daca energia hu este suficient de mare, atunci electronul poate invinge lucrul de iesire j si paraseste metalul cu energia cinetica mv /2, conform legii conservarii energiei :

hu=j +mv /2. (1)

Aceasta egalitate poarta numele de formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric. Ea ne arata ca pentru o substanta data energia cinetica a electronilor expulzati este direct proportionala cu frecventa radiatei incidente (legea 3). Pe de alta parte, se vede ca pentru o substanta data, energia electronilor emisi, scade cu frecventa.Pentru o anumita frecventa u ei nu mai au energie cinetica :

hu =j

Aceasta frecventa constituie deci o limita sub care efectul fotoelectric nu mai apare. Lungimea de unda l c/u este tocmai "pragul rosu" definit in legea 1. Pragul rusu este caracteristic oricarei substante al carei lucru de iesire este j . El rezulta din (2)

l hc/j (3)

Si legea 2 este usor de explicat pe baza relatiei lui Einstein : numarul de electroni scosi din metal in uniutatea de timp este direct proportinal cu numarul de fotoni incidenti in unitatea de timp. Observand ca intensitatea curentului este data de numarul electronilor pe secunda, iar intensitatea fluxului luminos,de numarul de fotoni incidenti pe secunda, deducem ca intensitatea curentului de electroni este direct proportionala cu intensitatea fluxului luminos.

Conceptia fotoica explica la fel de simplu si legea 4 : fotonul, intalnind electronul, ii comunica acestuia in intregime energia sa, fiind imediat expulzat, ca in orice ciocnire, daca aceasta energie depaseste energia de extractie.

Teoria elementara a lui Einstein expusa mai sus explica perfect fundamentele efectului fotoelectric. Ea nu ne da insa mecanismul de emisie a electronilor din solid si de aceea nu poate explica o serie de rezultate experimentale cum ar fi dependenta de temperatura a efectului fotoelectric, dependenta sa de starea suprafetei, de natura fotocatodului, etc.

4. Mecanismul emisiei fotoelectronilor

Emisia din metale :

In figura 3 este data schema nivelelor energetice ale electronilor din reteaua metalica la T=0 k.In aceasta figura Ec este nivelul corespunzator limitei inferioare a zonei de conductie, iar Ef este nivelul Fermi. j este diferenta dintre nivelul energetic al electronului in afara metalului si cel mai inalt nivel energetic ocupat din interiorul metalului. Pentru a se emite un fotoelectron trebuie comunicata o energie cel putin egala cu j. Aceasta energie minima ne da "pragul rosu". Pentru ca fotoelectronul sa dispuna si de o energie cinetica mv /2 in afara metalului, se vede imediat pe schema din figura 3 ca radiatia incidenta trebuie sa aiba energia

hu=j +mv /2.

Aceasta relatie este tocmai formula lui Einstein (1). Teoria zonelor permite deci explicarea relativ simpla a legilor efectului fotoelectric. In plus ea poate explica influenta temperaturii. Astfel, nivelul Fermi este bine definit doar la T=0 k. De aceea si pragul fotoelectric l are, teoretic, o valoare unica numai in acest caz ideal. In realitate T>0 si o parte din electronii aflati pe nivelele inferioare nivelului Fermi sunt excitati termic pe nivele superioare acestuia, ceea ce face sa apara fotoelectroni chiar si pentru fregvente mai mici decat u . De fapt la temparaturi obisnuite (T=300 k) numarul acestor fotoelectroni este in general neglijabil de mic la metale.   

Efectul fotoelectric in izolatori si semiconductori Dupa cum se stie izolatorii, spre deosebire de metale, nu dispun de o zona partial ocupata. Din aceasta cauza ei nu pot conduce curentul, in conditii obisnuite. In fig.4 este data schema nivelelor energetice intr-un izolator laT=0 k. El poate conduce curentul numai daca electronii din zona de valenta capata energie suficienta, cel putin egala cu Ec-Eu, pentru a intra in zona de conductie. Aceasta energie poate fi furnizata electronului pe cale termica, prin interactiuni cu radiatia sau prin alte mijloace, atat pentru cazul izolatorilor cat si al semiconductorilor. Efectul fotoelectric este deci important in primul rand pentru obtinerea electronilor de conductie necesari trecerii curentului electric prin aceste corpuri. Din fig.4 se vede ca pentru ca un electron de valenta sa devina un electron de conductie, energia radiatiei incidente trebuie sa aiba cel    putin valoarea : hu =Ec-Eu

Aceasta eliberare a electronilor de valenta din jurul atomilor retelei sub actiunea radiatiei si trecerea lor in randul electronilor de conductie se numeste efect fotoelectric intern. Acest efect nu duce deci la expulzarea electronului din izolatorul sau semiconductorul respectiv, ci produce numai o variatie a rezistentei materialului.

Dupa cum se stie, efectul fotoelectric extern consta din emisia de electroni dintr-un metal sub actiunea luminii, emisie care are loc numai atunci cand frecventa radiatiei este mai mare decat o limita u h=f, unde f este lucrul de extractie. Daca ne reprezentam metalul ca pe o cutie cu eletroni a caror energie are valori pana la o anumita limita atunci emisia unui electron are loc cand i se comunica o energie mai mare decat bariera de potential pe care o intalneste la suprafata metalului (fig.8).

Efectul fotoelectric poate fi produs si intr-un semiconductor, sau dielectric, dar difera de cel produs de metale. Fie cazul unui semiconductor care are impuritati de ambele tipuri(fig.8b). Sub actiunea fotonilor pot fi efectuate tranzitiile 1, 2, 3 de pe nivelul donor in zona de conductie (u Ed/h), din zona de valenta pe nivelul acceptor(u =Ea/h) sau tranzitii intre cele doua zone (u =Eg/h). In urma acestor excitari apar purtatori liberi(efect fotoelectric intern). Cum la temperatura la care are loc iradierea probei acesti purtatori nu ar exista, ei au fost denumiti purtatori de neechilibru, care dupa un timp revin la starea initiala. Procesul de revenire se numeste de recombinare. Impul de viata este de ordinul microsecundelor. Existenta proceselor de recombinare ne explica de ce nu creste nelimitat numarul de purtatori generati prin efect fotoelectric. Este evident ca poate sa existe efect fotoelectric extern si intr-un semiconductor prin emisia directa de pe nivelele donoare (u Ed f)/h), din zona de conductie (u =f/h) sau din zona de valenta (u =(Eg f)/h). Aceste tranzitii au loc de obicei sub actiunea luminii de la limita violeta si ultravioleta a spectrului radiatiilor electromagnetice

5. Aplicatii ale efectului fotoelectric

Pe principiul efectului fotoelectric functioneaza celulele fotoelectrice,care transforma energia luminoasa in energie electrica. Ele au o mare raspandire in automatizare, televiziune, cinematografie ..

Celula fotoelectrica cu vid: In fig.5 este reprezentata schema unei celule fotoelectrice care consta intr-un mic balon de sticla vidat, acoperit pe o anumita portiune interioara cu un strat metalic ce constituie fotocatodul. Se utilizeaza straturi de cesiu, potasiu, argint,antimoniu-cesiu, in functie de domeniul spectral la care trebuie sa fie sensibila celula. Anodul este un inel metalic asezat la o anumita distanta de catod. Cei doi electrozi pot fi legati la un circuit cu ajutorul a doua fire metalice ce trec prin peretele sticlei. Fotonii de energie hu cazand pe catod expulzeaza de pe suprafata acestuia electroni prin efect fotoelectric exterior . Acestia sunt dirijati spre anod de catre campul electric accelerator creat de bateria B, dand astfel nastere unui curent electric ce trece prin consumatorul R. Curentul de saturatie obtinut cu aceste celule cu vid este de aproximativ 50 microamperi pe lumen. Receptorul R trebuie sa fie destul de sensibil pentru a raspunde la semnale foarte mici de curent declansate de fluxurile luminoase.

Celula fotoelectrica cu gaz : Schema unei astfel de celule nu difera de cea din fig.5. Celula insa este umpluta cu un gaz inert la presiuni mai mici decat cea atmosferica. Daca tensiunea dintre anod si catod este suficienta, electronii emisi din catod de catre fotoni, pot fi accelerati in campul electric pana la energia cinetica necesara ionizarii atomilor gazului prin ciocniri. Ionii pozitivi si electronii asfel generati, se indreapta catre electrozii corespunzatori, contribuind asfel la cresterea curentului. Pentru un flux luminos dat, aceste celule dau curenti de saturatie de zeci de ori mai mari decat cele cu vid.

Fotorezistentele: Spre deosebire de cele doua dispozitive descrise mai sus si care folosesc efectul fotoelectric extern, fotorezistentele folosesc efectul fotoelectric intern la semiconductoare; prin iluminara creste numarul deelectroni si de goluri pozitive, ceea ce duce la micsorarea rezistentei electrice a semiconductorului respectiv. La o fotorezistenta, semiconductorul (seleniu, sulfura de cadmiu, de taliu, de plumb) este depus sub forma de strat subtire pe o placuta izolatoare (sticla). La marginile placutei se afla doua straturi inguste metalice, care constituie electrozii fotorezistentei (fig.6). legand acesti electrozi la o portune dintr-un circuit dat, curentul prin acest circuit va putea fi modificat prin iluminarea fotorezistentei cu radiatii de o anumita lungime de unda. Ele sunt sensibile atat in vizibil, dar lucreaza si in infrarosu. Variatia rezistentei sub actiunea luminii poate fi studiata static prin inserarea fotorezistentei in bratul unei punti Wheatstone (fig.8). Se echilibreaza puntea la intuneric si apoi sub actiunea luminii masurandu-se astfel direct variatia rezistentei electrice in functie de intensitatea luminii si de frecventa ei. Efectul poate fi studiat si dinamic folosind montajul din fig.8b in care a fost interpus intre sursa de lumina si fotorezistenta un "chopper", adica un disc cu fante care lasa sa treaca lumina in impulsuri. In felul acesta rezistenta variaza in timp. Daca se inregistreaza pe un oscilograf o tensiune de pe o rezistenta fixa (Ro), atunci aceasta fluctueaza intre

Ui=UoRo/(Ro+Ri) -la intuneric; si Ue=UoRo/(Ro+Re)- la lumina; unde Ri si Re reprezinta rezistenta la intuneric, respectiv la lumina. Semnalul cules, nu urmareste la fel de rapid variatiile intensitatii luminii : la inceputul fiecarui impuls, tensiunea creste pana atinge o saturatie, iar dupa incetarea iluminarii, nu scade brusc la valoarea de intuneric (fig.8). Fotorezistentele si-au gasit o sfera larga de aplicatii dintre care cele mai intalnite sunt: detectoare de radiatii in infrarosu, relee fotoelectrice care iau locul celulelor fotoelectrice fiind mai robuste, cu gabarit mai redus si mai ieftine.

Celula fotovoltaica sau celula cu strat de baraj: Pe suprafata unei lame de cupru se depune un strat subtire de oxid cupros (fig.7). La suprafata de separare dintre Cu O si placa de cupru se formeaza un strat de baraj ce permite electronilor sa treaca numai in sensul de la Cu O spre Cu. Peste stratul de Cu O se depune o pelicula foarte subtire metalica (Au) incat sa fie transparenta pentru lumina. Acest strat metalic joaca rolul de electrod; un al doilea electrod il constituie chiar placa de cupru. Lasand sa cada lumina pe aceasta celula, ea va strabate stratul subtire metalic si va excita in semiconductorul Cu O electroni din banda de valenta in banda de conductie. Acestia pot strabate stratul de baraj, trecand pe placa de cupru. Ia nastere astfel o diferenta de potential, care va face ca in circuitul inchis prin galvanometrul G sa treaca un curent electric fara ajutorul vreunei tensiuni electromotoare aplicata din exterior.

In afara celulelor cu oxid cupros si cupru se mai utilizeaza si celule cu seleniu si plumb, cu telur si plumb,. Sensibilitatea celulelor fotovoltaice, numite uneori si celule fotogalvanice sau celule fotoelectrice generatoare, poate ajunge pana la ordinul 1000 mA/lm si pot da fotocurenti pentru un domeniu foarte larg de lungimi de unda, mergand pana in infrarosu.

Deoarece celula fotovoltaica produce curent fara o sursa exterioara de tensiune, ea este un transformator de energie luminoasa direct in energie electrica. Randamentul nu depaseste insa cateva procente. Utilizandu-se celule cu siliciu se pote obtine, in timpul unei zile insorite, o putere electrica de pana la 100 W/m de substanta fotosensibila, cu un randament de 10%.