10.1. Фотоэлектрические явления

Фотоэлектрическими явлениями называются электрические явления (изменение электропроводности, возникновение ЭДС и другие), происходящие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения, в частности света. Фотоэлектрические явления возникают в тех случаях, когда энергия  поглощенного веществом электромагнитного излучения (фотона) затрачивается на квантовый переход электрона в состояние с большей энергией. Характер протекающих фотоэлектрических явлений зависит от соотношения между энергией фотонов и характерными энергиями вещества (энергией возбуждения атомов или молекул, энергией их ионизации, работой выхода электронов и т.п.).

Например, если в твердом теле (металле, полупроводнике) энергия поглощенного фотона для преодоления электронами поверхностного потенциального барьера, то возникает фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект).

При меньших значениях  в неметаллическом твердом теле (полупроводнике, диэлектрике) поглощение энергии электромагнитного излучения приводит к появлению неравновесных носителей заряда (электронов проводимости и дырок), что проявляется в изменении электропроводности тела, возникновении в нем ЭДС (внутренний фотоэффект). С внутренним фотоэффектом в кристаллах связаны фотодиэлектрический эффект (изменение диэлектрической проницаемости под действием света), фотоакустические явления (генерация акустических волн в кристалле под действием оптического излучения), фотоупругость и другие эффекты.

Особенно разнообразны фотоэлектрические явления, связанные с внутренним фотоэффектом в полупроводниках. Характер движения неравновесных носителей заряда в полупроводниках зависит от различных факторов: наличия и пространственного распределения внутренних и внешних магнитных полей, градиентов концентрации равновесных и неравновесных носителей, анизотропии удельной электропроводности и других. Различные сочетания этих факторов могут приводить к таким фотоэлектрическим явлениям как фотовольтаический эффект, явление фотопроводимости.

Фотовольтаический эффект – возникновение ЭДС (фотоЭДС) между электродами освещенного кристалла, обусловленное пространственным разделением возбужденных пар носителей заряда. В однородных полупроводниках такое разделение может быть связано с различием коэффициентов диффузии электронов и дырок, с действием на носители внешнего магнитного поля или с диффузией возбужденных светом носителей под углом к главным кристаллографическим осям в кристалле с анизотропной электропроводностью.

В неоднородных структурах (например, содержащих электронно – дырочный гомо - или гетеро – переход, контакт металл – полупроводник) пространственное разделение пар происходит в электрическом поле, создаваемом неоднородностью (вентильный фотоэффект).

Фотопроводимость – изменение электропроводности полупроводников под воздействием электромагнитного излучения, обусловленное увеличением концентрации электронов в зоне проводимости и (или) дырок в валентной зоне (концентрационная фотопроводимость), либо связанное с изменением подвижности носителей заряда.

Фотоэлектрические явления используются в фотоэлектронных умножителях, вакуумных, газзонаполненных и иполупроводниковых фотоэлементах, фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и других фотоэлектронных приборах и устройствах.