ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОХИМЕЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Фотоэлектрические явления
Эффект фотопроводимости – фоторезистивный эффект, увеличение электропроводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения. Впервые выше названный эффект наблюдался у Se У. Смитом в 1873 г. Она (фотопроводимость) обусловлена увеличением концентрации подвижных носителей заряда под действием света и возникает в результате нескольких процессов: фотоны «вырывают» электроны из валентной зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно возрастает число электронов проводимости и дырок (собственная проводимость). Наблюдается также дырочная примесная и электронная примесная проводимость. Фотопроводимостью обладают все неметаллические твердые тела. Наиболее широко применяются в технике: Ge, Si, Se, CdS, CdSe, GaAs, PbS и др.
Зависимость проводимости от длины волны излучения определяется спектром поглощения
полупроводника
Применение: фоторезистор, фотодиод (приемник ПК-излучения) [3].
Явление внешнего фотоэффекта состоит в испускании (эмиссии) электронов с поверхности тела под действием света; для этого явления экспериментально установленные зависимости объединяются квантовой теорией света. Свет есть поток квантов; кванты света, попадая в вещество, поглощаются им; избыточная энергия передается электронами, которые получают возможность покинуть это вещество – конечно, если энергия кванта больше, чем работы выхода электрона. Заметим, что квантовый характер света, проявляющийся в явлении фотоэффекта, не следует понимать как отрицание волновых свойств света; свет есть и поток квантов, и электромагнитная волна просто в зависимости от конкретного явления проявляются или квантовые, или волновые свойства. На основе внешнего фотоэффекта создан ряд фотоэлектронных приборов (фотоэлементы различного назначения, фотокатоды, фотоумножители и т.д.). Внешний фотоэффект играет большую роль в развитии электрических зарядов; фотоэффект в газах определяет распространение электрического заряда в газах при больших давлениях, обуславливая высокую скорость распространения стримерной формы разряда (искры, молнии).
|
|
|
Кроме внешнего фотоэффекта, существует внутренний фотоэффект. Квант света, проникая внутрь вещества, выбивает электрон, переводя его из связанного состояния (в атоме) в свободное – таким образом, при облучении полупроводников и диэлектриков из-за фотоэффекта внутри кристаллов появляются свободные носители тока, что существенно изменяет электропроводность вещества. На основе внутреннего фотоэффекта созданы различного рода фоторезисторы – элементы, сильно изменяющие свое сопротивление под действием света.
|
|
|
Примеры применения:
- устройство для управления световым лучом, выполненное в виде конденсатора между электродами которого заключен слой вещества изменяющего прозрачность под действием электрического поля, отличающееся тем, что с целью уменьшения габаритов, один из электродов конденсатора связанный с источником управляющей электродвижущей силы выполнен из материала, обладающего эффектом возникновения фотоэлектродвижущей силы;
- пьезоэлектрический преобразователь с оптическим управлением, содержащий фоторезисторный слой, светопровод и металлический электрод, отличающееся тем, что с целью расширения частотного диапазона в область низких мегагерцовых и высоких килогерцовых частот, он выполнен в виде пьезокерамической платины, на одну сторону которой нанесен металлический электрод, а на противоположную – фоторезисторный слой и прозрачный электрод, являющийся одновременно светопроводом.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект – появление ЭДС в месте контакта двух полупроводников (или полупроводника и металла). Основное применение вентильных фотоэлементов – индикация электромагнитного излучения.
|
|
|
На основе вентильного фотоэффекта работают также солнечные батареи. Одним из приборов работающих на вентильном фотоэффекте, является фотодиод, обладающий многими преимуществами по сравнению с обычными фотоэлементами.
Пример применения:
- устройство для регулирования напряжения электромагнитных генераторов содержащее датчик тока, в виде шунта в цепи его нагрузки и импульсный транзисторный усилитель, ко входу которого подключены последовательно стабилизаторон с ограничивающим резистором и формирователь пилообразного напряжения, к выходу обмотка возбуждения генератора, отличающееся тем, что с целью повышения надежности и точности регулирования параллельно упомянутому шунту включен светодиод одноэлектронной пары, фотодиод который через цепь подпитки подключен параллельно ограничивающему резистору.
Эффект Дембера (фотодиффузный эффект). Вне собственных полупроводниках коэффициенты диффузий носителей тока (электронов и дырок) различные. Таким образом, если какой-то части проводника фотоактивное освещение создает одинаковое число электронов и дырок, то диффузия этих носителей будет происходить с разной скоростью, в результате чего в кристалле возникает ЭДС
|
|
|
Эффект Дембера – возникновение электрического поля и ЭДС в однородном полупроводнике при его неравномерном освещении. В частности, ЭДС возникает между освещенной и не освещенной поверхностями полупроводника при сильном поглощении света в нем. Открыт немецким физиком Дембером в 1931 г. Фотоэдс его очень мала [3].
Фотопьезоэлектрический эффект. Обеспечить различие подвижности фотоэлектронов и фотодырок в полупроводнике можно каким-либо внешним воздействием. Так, при одностороннем сжатии освещенного полупроводника на грани кристалла, перпендикулярно направлению сжатия, возникает ЭДС, знак которой зависит от направления сжатия и направления светового потока, а величина пропорциональна давлению и интенсивности света. Эффект возникает из-за того, что подвижности разноименных носителей тока, обусловленных внутренним фотоэффектом, при упругой деформации кристалла становятся не одинаковыми по отношению к различным направлениям.
Эффект Кикоина-Носкова (фотомагнитный эффект).
Суть эффекта состоит в возникновении электрического поля в полупроводнике при перемещении его в магнитное поле и одновременном освещении светом, в составе которого имеются спектральные линии, сильно поглощаемые полупроводником. При этом возникшее электрическое поле перпендикулярно магнитному полю и направлению светового потока. Величина света магнитной ЭДС пропорциональна магнитной индукции и интенсивности светового потока. Эта пропорциональность нарушается при больших освещенностях, когда происходят "насыщения". Механизм эффекта таков: В результате внутреннего фотоэффекта вблизи освещенной поверхности полупроводника в избытке образуются электроны и дырки, которые диффундируют вглубь кристалла. Продольный диффузионный ток под действием поперечного магнитного поля отклоняется и расщепляется, что приводит к возникновению поперечной ЭДС
Фотохимические явления
Виды воздействия светового излучения на вещество весьма разнообразны. В частности, под действием света могут происходить реакции химических превращений веществ (фотохимическая реакция). Одни из этих реакций приводя к образованию сложных молекул из простых (например, образование хлористого водорода при освещении смеси водорода и хлора), другие – к разложению молекул на составные части (например, фотохимическое разложение бромистого серебра с выделением металлического серебра и брома), в результате третьих молекула не изменяет своего состава, изменяется лишь ее пространственная конфигурация, приводящая к изменению ее свойств (возникают тереоизомеры).
Фотохимические процессы вызываются только поглощаемым светом, действующим на движение валентных электронов в атомах и молекулах. В основе таких процессов лежит явление фотоэффекта.
Многие фотохимические превращения идут в два этапа. Первичный процесс характеризуется изменением молекулы под действием поглощенного ею кванта света – это собственно фотохимическая реакция. Во всех вторичных процессах мы имеем дело с сугубо химическими реакциями продуктов первичных реакций. Так при образовании хлористого водорода первичным является лишь расщепление молекулы хлора, поглотившей квант света, на атомарный хлор, который далее через день вторичных химических реакций приводит к образованию конечного продукта. Для первичных процессов справедлив закон эквивалентности. Каждому поглощенному кванту света соответствует превращение одной поглотившей свет молекулы. В общем случае количество химически прореагировавшего вещества пропорционально поглощенному световому потоку и времени его воздействия. Величина коэффициента пропорциональности определяется природой вторичных процессов.
Фотохимическую реакцию может вызвать лишь излучение, энергия кванта которого больше энергии активации молекулы. Этим объясняется повышение фотохимической активности ультрафиолетового излучения.
Следует отметить, что фотохимическими процессами объясняются многие природные явления, такие как синтез углеводов в листьях растений или чувствительность глаза к световому излучению.
Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра (и других его коллоидных солей) использована для получения фотографических изображений. Изображение представляет собой локальные почернения фотоматериала из-за выделившихся под действием отраженного от объекта света частичек серебра.
К фотохимическим явлениям относится и так называемый фотохромный эффект, который состоит в следующем.
Некоторые химические вещества обычно со сложным строением молекулы, изменяют свою окраску под действием видимого или ультрафиолетового излучения. В отличие от обычного выцветания красок этот эффект обратим. Первоначальная окраска или отсутствие таковой восстанавливается через некоторое время в темноте, под действием излучения другой частоты или при нагревании. Но наведенную окраску можно и сохранить сколь угодно долго, если охладить фотохромное вещество или обработать его некоторыми газами, фотохромизм восстанавливается при соответствующей вторичной обработке.
Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного соединения, но и от среды в которую оно может быть введено (стекло, керамика, жидкость, пластмасса, ткань и др.).
Многие фотохромные вещества при облучении интенсивным светом могут темнеть, причем их "быстродействие" достигает несколько микросекунд. Это позволяет использовать фотохромные тела как сверхзатворы для защиты глаз или светочувствительных приборов от неожиданной вспышки мощного излучения. Есть возможность использовать их как регуляторы светопропускания в зависимости от интенсивности света.
Фирма "Корнинг Гласс" выпустила светозащитные очки с фотохромными стеклами, изменяющими степень светопропускания в зависимости от интенсивности потока ультрафиолетовых лучей.
Также фотохромный материал применяется в:
- устройстве для представления информации в трехмерной форме, отличающееся тем, что с целью улучшения стереоскопического восприятия трехмерных изображений и упрощения устройства оно содержит три параллельных ряда плоских панелей, на противоположных концах которых нанесены изготовленные из фотохромного материала активные зоны одна из которых служит для просмотра изображения, а другая - для обработки информации, причем все панели установлены на разной высоте на трех осях вращения, сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов;
- устройстве по пункту 1, отличающемся тем, что над каждой из фотохромных информационных панелей в зоне, противоположной зоне просмотра, установлена матричная излучающая панель;
- устройстве по пункту 1, отличающееся тем, что к каждой из панелей подведена линейка волоконных световодов связанных с источником импульсов излучения активизирующего фотохромный материал;
- устойчивом фотохромном воспроизводящем устройство, предназначенном для работы с пленкой, покрытой фотохромным материалом, содержащим сахарин, имеется центральная камера, в которой находится электроннолучевая трубка. На нормальной прозрачной пленке образуются непрозрачные участки обратимого изображения соответствующего изображению на экране электронно-лучевой трубки. При обработки пленки двуокисью серы, находящейся в газообразном состоянии, проэкспонированные участки фотохромного материала остаются непрозрачными. После этого газ откачивается и камеру подается тепловое излучение, обращающее те обработанные газообразной двуокисью серы участки, которые были прозрачными во время экспонирования. Участки пленки, временно сделавшиеся не прозрачными под воздействием изображения, проявляющегося на экране электронно-лучевой трубки, постоянно фиксируются. В состав конструкции устройства входит камера для ввода пленки и камера для вывода пленки, связанные с вакуумной откачивающей системой. Выходящая из центральной камеры двуокись серы в газообразном состоянии засасывается вакуумной откачной системой и не попадает в атмосферу.
В основе фотохимических процессов лежит взаимодействие излучения с электронами вещества. Это предполагает наличие возможности управлять ходом фотохимической реакции воздействие электрического поля. Возможно, что природа недавно открытого фотоэлектрического эффекта объясняется стимуляцией фотохромного эффекта электрическим полем. Эффект состоит в следующем: На тонкую прозрачную пластину керамики с включением железа, свинца лантана, циркония и титана, помещенную в постоянное электрическое поле, перпендикулярное ее поверхности, проектируют негативное изображение видимых и ультрафиолетовых лучах. При этом в пластине появляется видимое позитивное изображение здесь наблюдается интересная особенность: При изменении направления поля на обратное, изображение из позитивного становится негативным. Изображение устойчиво и стирается лишь при равномерном облучении ультрафиолетовыми лучами с одновременной переполюсовкой поля.
Американские специалисты, открывшие этот эффект, предполагают его использовать в устройствах для хранения визуальной информации.
Фотогальванический эффект – фото-ЭДС, возникающая в полупроводнике при поглощение в нем электромагнитного излучения. Фото-ЭДС обусловлена пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда. При неравномерном освещение кристалла концентрация носителей заряда велика вблизи облучаемой грани и мала в затемненных участках. Носители диффундируют от облучаемой грани и между освещенными и затемненными участками возникает диффузионная фото-ЭДС, которая в полупроводниках мала и практического применения не имеет.
Вентильная фото-ЭДС возникает в неоднородных полупроводниках, а также у контакта полупроводник – металл. В области неоднородности существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемое излучение не основные неравновесные носители. В результате фото носители разных знаков пространственно разделяются.
При поглощение излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате появляется фото-ЭДС светового давления, но она очень мала. Фото-ЭДС светового давления используется в быстродействующих приемниках излучений, предназначенных для измерения мощности и формы импульсов излучения лазеров [3].
ЛЮМИНИСЦЕНЦИЯ
Электрохимолюминесценция – люминесценция специальных жидких люминофоров в электрическом поле.
Применение: в индикаторных устройствах, можно создать светящиеся буквы, цифры [3].
Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым излучением тела, и имеющее длительность, прерывающую период световых колебаний. Люминесценция возникает при возбуждении вещества за счет притока энергии, и в отличие от других видов "холодного" свечения продолжается в течении некоторого времени после прекращения возбуждения.
О продолжительности после свечения выделяют флуоресценцию (менее 10 сек.) и фосборесценцию; последнее продолжается в заметный промежуток времени после снятия возбуждения (от 10 сек. до нескольких часов).
Способность люминесцировать обладает большая группа, газообразных, жидких и твердых веществ, как органических, так и неорганических (люминофоров). Характер процесса люминесценции существенным образом зависит от агрегатного состояния вещества и типа возбуждения.
Люминофоры являются своеобразными преобразователями энергии из одного вида в другой; на входе это может быть энергия электромагнитного излучения, энергия ускоренного оттока частиц, энергия химических реакций или механическая энергия, – любой вид энергии, кроме тепловой, – на выходе – световое излучение. Отдельные атомы и молекулы люминофора, поглощая один из этих видов энергии, возбуждаются, т.е. переходя на более высокие энергетические уровни по сравнению с равновесным состоянием, и затем самопроизвольно совершают обратный переход излучая избыток энергии в виде света. Способ возбуждения лежит в основе классификации различных видов люминесценции.
Люминесценция, возбуждаемая
Электромагнитным излучением
Фотолюминесценция – свечение возникающее при поглощении люминофором ИК, видимого или УФ-излучения. Спектр поглощения и излучения люминофоров связаны правилом Стокса-Люмиаля, согласно которому максимум спектра излучения смещен по отношению к максимуму спектра поглощения в сторону длинных волн (например, при облучении ультрафиолетом люминофор излучает видимый свет).
Пример применения фотолюминесценции:
- способ контроля геометричности сварных изделий с помощью люминофора, при котором изделие направляют ультрафиолетовые лучи и судят о герметичности по свечению люминофора, отличающийся тем, что с целью повышения производительности путем осуществления контроля непосредственно в процессе сварки, люминоформную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качестве источника УФ-лучей используют сварочную дугу;
- способ количественного определения горечи (кукурбитационов) в огурцах, включиющий взятие образцов экстрогирование спиртом и определение кукурбитационов, отличающееся тем, что с целью ускорения процесса, экстракт облучают ультрафиоетовым светом измеряют интенсивность вторичного свечения и количество кукурбитационов, определяют по показаниям прибора и калибровочному графику.
Фотолюминесценция – люминесценция, возбуждаемая оптическим излучением. В отличии от рассеяния света и горячей люминесценции, фотолюминесценция испускается после того, как в возбужденном светом веществе закончились процессы релаксации и установилось квазиравновесие. В обычных лучах квазиравновесие устанавливается в течение времени ~ 10-12 … 10-10 с.
Спектр фотолюминесценции подчиняется правилу Стокса. В отсутствии тушения люминесценции квантовый выход (отношение числа испускаемых квантов к числу поглощаемых) равен единице. Зависимость квантового выхода фотолюминесценции от длины волны возбуждающего света определяется законом Вавилова. Более сложные закономерности наблюдаются при фотолюминесценции кристаллофосфоров, для которой характерна нелинейная зависимость фотолюмин от интенсивности возбуждения.
Применение: люминесцентная дефектоскопия, люминесцентный анализ [3].
Наиболее широко фотолюминесценция применяется в лампах дневного света. В них свечение люминофора происходит под действием ультрафиолета, которым богато излучение газоразрядной части лампы (в связи с наличием паров ртути).
Однако есть исключение из правила Стокса-Люмеля – это так называемые антистоксовские люминофоры, которые при возбуждении в ИК-области спектра излучают в видимой области.
Применение этих люминофоров связано с преобразованием ИК-излучения в видимое, например, для визуализации излучения ИК-лазеров, для создания лазеров видимого диапазона с ИК-накачкой, а светодиодов.
Рентгенолюминесценция. Специфика возбуждения рентгеновскими лучами, по сравнению с фотовозбуждением, состоит в том, что на люминофор воздействуют фотоны со значительно большей энергией. При этом свечение люминофора вызывается не непосредственным действием самих рентгеновских лучей, в воздействием электронов, вырываемых из основы люминофора рентгеновскими лучами. Вследствие этого ретгенолюминесценция имеет многие общие черты с катодолюминесценцией. Основное применение – в экранах для рентгеноскопии и рентгенографии.
Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 860; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!