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fotoelettricità

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Descrizione generale

sf. [sec. XX; foto-+elettricità]. Fenomeno per il quale, in alcuni materiali, l'assorbimento della radiazione luminosacompagnato da emissione di elettroni o da variazione di resistività. Nel primo caso si parla di fotoemissione o effetto fotoelettrico esterno, nel secondo di fotoconduttività o effetto fotoelettrico interno. Entrambi gli effetti si spiegano con la teoria dei quanti di Planck, della quale sono un'importante conferma, secondo cui la radiazione è costituita da entità indivisibili, i fotoni, dotati ciascuno di un'energia pari a hf, h essendo la costante di Planck e f la frequenza della radiazione.

Fotoemissione

Fenomeno che si verifica quando i fotoni assorbiti dal materiale producono elettroni di energia sufficiente a superare la barriera di potenziale alla superficie del materiale. Affinché ciò avvenga, occorre che l'energia dei fotoni non sia inferiore alla barriera di potenziale EB, cioè hf≥EB. Questa condizione stabilisce che la fotoemissione ha una soglia alla frequenza f=EB/h, ovvero alla lunghezza d'onda λ=hc/EB, detta soglia fotoelettrica: la fotoemissione non può perciò avvenire se la radiazione incidente ha lunghezza di onda maggiore di quella corrispondente alla soglia. Nel campo del visibile (λ=4000÷7000 Å), buoni materiali fotoemettitori sono gli antimoniuri (composti dell'antimonio con elementi del terzo gruppo) alcalini, come l'antimoniuro di cesio (Cs₃Sb) che ha una risposta simile a quella dell'occhio umano, e l'antimoniuro di cesio, potassio e sodio (CsKNaSb) che ha un'elevata sensibilità estesa fino a 8000 Å, mentre nel vicino infrarosso si usa il cesiato d'argento (Ag–O–Cs) che raggiunge λ=11.000 Å. Questi materiali servono a preparare i fotocatodi di fototubi, fotomoltiplicatori e intensificatori di immagine.

Fotoconduttività

Fenomeno consistente nella produzione di coppie elettrone-buco in un semiconduttore per effetto dell'assorbimento dei fotoni. L'energia EG richiesta per la produzione di una coppia è quella che deve essere fornita per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione (energia di gap o di interbanda), e pertanto la soglia di fotoconduttività è alla lunghezza d'onda λ=hc/EG. Poiché EG<EB, le soglie di fotoconduttività sono molto più estese nell'infrarosso di quelle fotoelettriche e coprono, oltre al visibile, gli importanti intervalli del medio e lontano infrarosso dove è possibile formare immagini termiche a temperatura ordinaria. Materiali fotoconduttivi sono il selenio e vari ossidi, solfuri e seleniuri, specialmente di piombo e cadmio, usati nelle celle fotoconduttrici e nei bersagli dei vidicon, l'antimoniuro di indio (InSb), il tellururo di cadmio e mercurio (HgCdTe), il tellururo di piombo e stagno (PbSnTe), usati per rivelatori nel medio e lontano infrarosso. Quando la produzione di coppie elettrone-buco si verifica in una giunzionepn, i portatori di carica sono separati dalla barriera di potenziale e iniettati ai contatti. È questo il modo in cui funzionano i fotodiodi al silicio e al germanio, che operano con polarizzazione inversa per ottenere la migliore rapidità di risposta. Rimuovendo la tensione esterna, i portatori si addensano nelle regioni maggioritarie e il dispositivo eroga una forza elettromotrice, detta fotovoltaica, su cui sono basate le celle solari.