Fotoelectricidad TECNOL.

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Tecnología

Parte de la Física que estudia la interacción entre la radiación (v.) electromagnética y los electrones (v.) ligados a la materia. Aunque el fenómeno es esencialmente el mismo cualquiera que sea la longitud de onda de la citada radiación, nos referiremos principalmente a las zonas del espectro próximas a la visible. Este tipo de interacción tiene lugar en las superficies de aisladores, semiconductores (v.) y metales (v. CÉLULA FOTOELÉCTRICA). Tradicionalmente se ha prestado preferente atención al efecto fotoemisivo en superficies metálicas, pero en la actualidad ha adquirido gran importancia el estudio de la creación de pares electrón-hueco en semiconductores, ya que cuenta con aplicaciones prácticas muy interesantes.

El efecto fotoemisivo (o fotoeléctrico) fue descubierto por H. Hertz y W. Hallwachs en 1887-88, aunque no fue interpretado hasta bastante más tarde por no tener en aquellas fechas conocimiento de la naturaleza cuántica del electrón (v.). Fue J. J. Thomson (1898) quien demostró que las partículas cargadas que se emitían por este efecto tenían la misma relación de carga a masa que los rayos catódicos. La interpretación fundamental fue dada por A. Einstein en 1905 con la introducción de la hipótesis de los cuantos luminosos, o fotones (v.). Esta hipótesis fue, por fin, confirmada con la obtención, por R. A. Millikan (1916), de un valor de la constante de Planck basado en la teoría de Einstein, que estaba en perfecta concordancia con el obtenido a partir de la fórmula de radiación de Planck.

La fotoemisión presenta características muy peculiares, que no son explicables desde el punto de vista de la Física clásica. La primera dificultad, en este sentido, fue puesta de manifiesto por J. J. Thomson (1903). Los rayos X, cuya energía, según la teoría clásica, estaría repartida por todo su frente de onda, traspasan, sin embargo, espesores considerables de materia antes de provocar el desprendimiento de un electrón. Este hecho, en contra de lo supuesto, indica la concentración de la energía de la onda sobre un electrón determinado. Además, para una profundidad dada, ningún átomo tiene privilegios sobre los demás, por lo que el fenómeno tiene naturaleza estadística. Por otra parte, Ph. Lenard en 1902 descubrió que la energía cinética máxima con que eran lanzados los electrones era por completo independiente de la intensidad luminosa, dependiendo exclusivamente de la longitud de onda. Con estos antecedentes, es decir, sin fundamentos según Millikan, Einstein propone su teoría revolucionaria: Un grupo de ondas luminosas en el vacío puede considerarse comer compuesto por partículas, o cuantos luminosos, de energía

E=hf

y con velocidad de propagación c; h es la constante de Planck, f la frecuencia central del grupo y c la velocidad de la luz. Según Einstein, estos cuantos pueden ser absorbidos totalmente por los electrones del material fotoemisor, incrementando su energía en hf. Si el trabajo mínimo necesario para arrancar un electrón del metal es W, la energía cinética máxima con que se emiten los electrones es

Ecmáx=1/2 mvzmáx=hf-W.

La experiencia montada por Millikan está representada esquemáticamente en la fig. 1 y consiste en someter a los electrones emitidos por el cátodo K, constituido por una superficie limpia de metal fotoemisor, al campo eléctrico creado por un potencial V. Si éste es lo suficientemente negativo, igual a - Vo, ninguno de los electrones emitidos podrá alcanzar el ánodo P, no detectándose ninguna corriente en el galvanómetro G. Para este potencial, tendremos

eVo=Ecn,áx, Vo=(hfe)f-Wle,

donde e es el valor absoluto de la carga del electrón. La segunda de estas ecuaciones expresa que la representación gráfica de Vo en función de f es una recta de pendiente h/e que corta al eje de las frecuencias en

fo= W/h ;

fo recibe el nombre de frecuencia de corte y es la frecuencia mínima para la que puede darse emisión de electrones. Los resultados obtenidos por Millikan aparecen en la fig. 2. Tanto la linealidad de la relación Vo-f, como los valores de h y W obtenidos, sustentan la validez de la hipótesis.

De esta forma quedan perfectamente explicadas otras propiedades de la emisión fotoeléctrica, como son la proporcionalidad entre la intensidad luminosa y la intensidad de la corriente fotoemisiva y la falta de retardo entre la incidencia de los fotones y la emisión de los electrones. Este último hecho fue comprobado hasta un límite de 3-10-9 seg. por E. O. Lawrence y 1. W. Beams (1928). La interpretación completa de la fotoemisión presenta, sin embargo, dificultades teóricas y prácticas aún no resueltas completamente. Así ocurre con la relación existente entre el rendimiento fotoeléctrico (corriente fotoeléctrica por unidad de energía de luz monocromática incidente) y la frecuencia de dicha luz (fig. 3). No obstante, la interpretación cualitativa sí es fácil: la fotoemisión aumenta progresivamente hasta un máximo y después vuelve a decrecer, ya que cuanto menor es la longitud de onda mayor es la energía de los fotones y entran menos de éstos por julio de energía incidente. Son dignas de mención, en este sentido, las teorías de R. Fowler y L. A. Du Bridge.

En los sólidos (V. ESTADOS DE LA MATERIA II), los niveles electrónicos externos de los átomos se modifican en bandas continuas que no pertenecen a ningún átomo en particular, sino al conjunto de ellos que forman el sólido. En la fig. 4a se representan estas últimas bandas permitidas para un caso típico de conductor y, en la 4b, para el caso general de dieléctricos y semiconductores (v.). En trazo continuo se indica el número de lugares, por átomo, que pueden ser ocupados por los electrones en función de su energía; en trazo discontinuo, el número de lugares ocupados por los electrones a una temperatura distinta de 0° K. En el cero absoluto, la energía mínima necesaria para sacar a un electrón del metal es W, pero a temperaturas más elevadas existe una pequeña fracción de electrones con energía superior a EL, por lo que, en estos casos, la frecuencia de corte no está perfectamente definida.

En los semiconductores, para temperaturas superiores al cero absoluto, en la banda de valencia existen sitios vacíos (fig. 4b) llamados huecos, que han sido originados por el salto de electrones a la banda de conducción, en virtud de su energía térmica. Estos electrones y huecos son los responsables de la conducción en semiconductores y, en menor grado, en los dieléctricos. Es evidente que la incidencia de fotones con energía

hf > E,-E?

puede provocar el salto de un electrón hasta la banda de conducción, aumentando de esta forma la conductividad del semiconductor. Este efecto es el conocido con el nombre de jotoconductividad.

V. t.: CÉLULA FOTOELÉCTRICA; SEMICONDUCTORES; FOTÓN.

B. GARCÍA OLMEDO.

BIBL.: D. HALLIDAY, Physics, 2 ed. Nueva York 1963; M. CARTEA, Células fotoeléctricas, Madrid 1965; J. MILLMAN, Electronic devices and circuits, Tokio 1967; E. U. CONDON, Handbook of Physics, Nueva York 1967.