Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Таким образом, происходит накопление носителей тока разных знаков в двух противоположных частях полупроводника. Однако этот процесс не может продолжаться сколь угодно долго, так как в результате накопления зарядов возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшим переходам. Таким образом, наступает динамическое равновесие между переходами электронов (дырок) в одну и другую сто- ато рону. В результате образуется постоянная разность потенциалов (фото- э. д. с.), не превышающая ширины запрещенной зоны в полупроводнике, выраженной в вольтах*. Фотодиод может работать в двух различных режимах: с внешним источником напряжения и без него. Для измерительных целей обычно включается внешняя разность потенциалов.
Для генерации электрической энергии (например, в солнечных батареях) используют полупроводниковые устройства без внешней э. д. с., работающие в так называемом вентильном режиме. Рис. 8.24. Принципиальная схема ЭОП с алектростатиче- ской фокусировкой: Г- фотокетод; т — фокуелрувщка электрод; а екод; е — лщмк- кеедлрумщкя слоя Величина фото-э. ц. с. существенно зависит от свойств используемого полупроводника и технологии изготовления.
Для уменьшения флуктуаций темпового тока полезно охлаждение устройства. Широкое распространение получили германиевые и кремниевые фотодиоды. На рис. 8.23 приведены спектральные характеристики таких приемников света. Как видно, максимальная чувствительность германиевого фото- диода наблюдается в такой области длин волн ()ем,к, 1,5 мкм), где использование фотоумножителей практически уже невозможно. В заключение этого краткого обзора фотоэлектрических приемников упомянем о возможности преобразования невидимого излучения (инфракрасные и ультрафиолетовые лучи) в видимое, что может быть осуществлено с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП), который также способен выполнять функции усилителя света. Схема действия этого прибора представлена на рис.
8.24. На фотокатоде происходит преобразование оптического изображения в электронное. Затем электронные пучки от разных частей фотокатода фокусируются и попадают на флуоресцирующий экран, где происходит визуализация изображения. Качество изображения не очень хорошее, так ' Более подробное описание физических процессов, происходящих в полупроводниках при освещении их снегом, имеется в ряде специальных руководств (смл К и т т а л ь А. Введение в фнавку твердого тела. М., ГИФМЛ, 1962) 371. как аберрации электронных пучков, как правило, больше оптических, но все же современные устройства подобного типа имеют в центре картины разрешающую способность порядка нескольких десятков линий на миллиметр, что близко к возможностям обычной фотографической пластинки.
Электронные пучки легко модулировать, поэтому электронный преобразователь может быть использован в качестве модулятора или оптического затвора, менее инерционного, чем даже ячейка Керра. Работает такой затвор с малыми энергетическими потерями, а часто даже с усилением потока электронов. Следует иметь ввиду, что описываемое устройство не является чисто оптической системой — электронные пучки можно усиливать различными способами, поэтому яркость на выходе электронного преобразователя может заметно превосходить яркость оптического изображения на его входе.
Современные ЭОП с сурьмяно-цезиевым фотокатодом позволяют увеличивать яркость изображения до 20 раз. При некотором усложнении электронной схемы может быть проведена временная развертка исследуемых сигналов. При этом временное разрешение достигает значений 10-" с. Надо думать, что приборы подобного типа в ближайшем будущем будут широко использовать в научном эксперименте и при решении различных технических задач. й 8.8. ФОТОНЫ И ИХ СВОЙСТВА Как уже указывалось, развивая квантовые представления, Эйнштейн выдвинул гипотезу, что носителем дискретного кванта энергии света является своеобразная частица, которая получила название фотона.
Следовательно, энергия не только излучается и поглощается квантами, но и между этими процессами проявляется в виде частицы, которая возникает при излучении света и погибает при его поглощении. Между этими превращениями фотон движется со скоростью, всегда равной скорости света в вакууме (оФ вЂ” — с). Энергия фотона равна кванту %' = йч, и уничтожение фотона может рассматриваться как элементарный акт передачи его энергии какому- либо другому объекту.
Так, например, механизм фотоэффекта представляет собой не что иное, как передачу фотоном своей энергии электрону, а уравнение (8.52) есть закон сохранения энергии, записанный для такого элементарного акта. При этом каждый освобожденный электрон забирает энергию у одного фотона, потому токнасыщения 1„„= лд (и — число выбитых электронов) строго пропорционален световому потоку. В то же время максимальная энергия вылетевших электронов зависит от энергии фотонов, т. е. от частоты падающего на фотокатод света (см. (8.52)1.
Закон сохранения энергии, записанный в виде (8.52), может быть применен к различным процессам, в которых участвуют фотоны. Так, например, можно рассмотреть задачу, обратную фотоэффекту: энергия электрона передается фотону, образовавшемуся при этом элементарном акте. Такое явление имеет место при торможении быстрых электронов в теле антикатода рентгеновской трубки. Здесь происходят 372 сложные процессы, при которых часть энергии бомбардиру!опц!х нптикатод электронов должна перейти в тепловую, а оставшаяся часть в излучение. Этот процесс не квантовая — электрон может потерять любую часть своей кинетической энергии, что и приводит квозникновению сплошного рентгеновского спектра.
Но для вылетевших из анти- катода фотонов максимальной частоты имеет место полный переход кинетической энергии электронов в лучистую и можно написать уравнение, которое будет почти аналогичным (8 52). При этом пренебрегается энергией связи электрона в атоме, которая в данном случае очень больших энер- г гий не должна учитываться: и тиз72 = дУ = Ьом,„о.
(8.57) Ю Это уравнение может быть переписано в виде г аУ = Ьс/Ьм„,. (8.58) Оно позволяет определить постоянную Планка измерением коротковолновой границы 4 сплошного рентгеновского спектра, которая в соответствии с (8.58) зависит от приложенной разности потенциалов (рис.8.25). Такие измерения оказались одним из самых точных способов определения этой константы. Полученное значение Ь = 6,624 х 10-" эрг - с Ркс.
8.25. Тормозной находится в отличном согласии с упоминав- р'ктгекозеккй спектр прк шимися ранее измерениями, основанными на рззлкчкмх ускоряющих использовании законов фотоэффекта и абсолютно черного тела. Это иллюстрирует возможность получения существенных результатов из применения закона сохранения энергии для описания элементарных процессов, происходящих при превращениях фотонов. Продолжим рассмотрение свойств фотона. Он должен иметь вполне определенную лассу, которая в соответствии с основными положениями специальной теории относительности может быть определена из следующего соотношения: т = Яу/сз = Ьч74'. (8.59) Нельзя забывать, что скорость фотона оф — — с. Учет этого основного свойства с неизбежностью приводит к выводу, что фотон не может обладать массой покоя т,.
Действительно, в уравнении т = !' 1 †(о/о)з при о = с конечная масса т получается лишь для т, = О. Итак, фотон всегда находится в движении и не обладает массой покоя. Этим он существенноотличается отэлектрона, протона и некоторых других элементарных частиц.
Поэтому фотон часто называли квазичастицей, что вряд ли оправдано в наше время, когда в физике высоких энергий исследуются не менее экзотические частицы. В част 373 ности, упомянем, что нейтрино также всегда движется со скоростью о = с и не имеет массы покоя. Оценим импульс фотона. Частица массы гл = Ь/с', движущаяся со скоростью с, будет иметь импульс К = тс = йч/с. (8.60) Эта характеристика фотонов должна проявляться в физических опытах. В качестве примера рассмотрим объяснение в рамках фотонной теории светового давления. Пусть на исследуемую площадку 63 = 1 в единицу времени падает по направлению нормали й/ фотонов.
Часть из них отражается, часть поглощается. Если, как обычно, обозначить через Я энергетический коэффициент отражения, то каждую секунду отразится Я/У фотонов, а (1 — А) й/ фотонов будет поглощено. При отражении каждого фотона произойдет изменение импульса, равное 2 йт/с. При поглощении фотона изменение импульса будет йт/с. Для светового давления, определяемого суммой импульсов, которые переданы площадке 65 = 1, можно записать следующее выражение: р=(1 — А) й/ — +Яй/ — = й/ — (1 )-Я). а» 2ь~ ьч а с с Общая энергия фотонов, падающих на площадку Л/йч равна плотности потока электромагнитной энергии, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
