8.2. Фотоэлектронная эмиссия.

Физические основы фотоэлектронной эмиссии базируются на законах внешнего фотоэффекта. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами. Если между облучаемым телом (которое именуют эмиттером, либо фотокатодом) и некоторым проводником (анодом) создать электрическое поле с разностью потенциалов U_а, ускоряющие фотоэлектроны, то возникает упорядоченное движение этих электронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). При некотором значении U_а>0 фототок возрастает до насыщения. В этом случае все электроны, покидающие облучаемый фотокатод достигают анода. Для прекращения фототока между анодом и фотокатодом необходимо создать задерживающее электрическое поле с разностью потенциалов U_з определяемой из равенства

U_з , (38.2.)

где е-абсолютная величина заряда электрона, W_k,max-максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов. Для фотоэффекта, вызываемого видимым светом и ультрафиолетовыми лучами, максимальная скорость фотоэлектронов W_max<c (c-скорость света в вакууме) и W_k,max=mv²⁄ 2, где m-масса покоя электрона.

Из закона сохранения энергии следует уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

h=A+W_к, (39.2.)

где А-работа выхода электрона из облучаемого вещества, W_к – кинетическая энергия эмитированных электронов, h-энергия фотона.

Внешний фотоэффект возможен при частоте излучения   A/h. Частота ₀A/h и соотвествующая длина волны ⁄A называются красной границей фотоэффекта (порогом фотоэффекта). Основные законы внешнего фотоэффекта сводятся к следующему:

а). Закон Столетова. Фототок насыщения прямо пропорционален мощности (Ф) электромагнитного излучения поглощаемого фотокатодом, если спектральный состав последнего не изменен:

I = Фк, (40.2.)

где к – фоточувствительность катода.

Закон Столетова является следствием квантового характера поглощения излучения: число фотоэлектронов пропорционально числу фотонов (N) поглощённых веществом; последнее при постоянном спектральном составе излучения пропорционально Ф. Для монохроматического излучения N=Ф/h.

б). Закон Эйнштейна. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности.

W_к= h-A_min , (41.2.)

где А_min-работа выхода для электронов вещества находящихся на наиболее высоком энергетическом уровне.

Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход (квантовая чувствительность фотоэффекта) определяемая числом эмитированных электронов приходящихся на один фотон, падающий на поверхность тела. Соответствующее отношение суммарных энергий фотоэлектронов и фотонов называется энергетическим выходом фотоэффекта. Данные характеристики зависят от физико - химической природы твердого тела, состояния его поверхности и энергии фотонов

Фотоэлектронная эмиссия из металлов наблюдается в случае, когда энергия фотона будет превышать работу выхода электрона. Для чистой поверхности большинства металлов работа выхода электрона составляет А ≥ 3эВ. Поэтому фотоэлектронная эмиссия может наблюдаться как в видимой, так и в ультрафиолетовой области спектра. Однако квантовый выход для большинства металлов незначителен и вблизи порога фотоэлектронной эмиссии наблюдается в пределах 10^-4 электрона ⁄ фотон. Такое положение связано с тем, что поверхности металлов сильно отражают видимый и ближний ультрафиолетовый свет, а глубина проникновения квантов света в металл ограничена величиной Выбитые фотоэлектроны при их движении к поверхности рассеивают приобретенную энергию при взаимодействии с газом свободных электронов. Кинетическую энергию достаточную для выхода из металла сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались на глубине С увеличением энергии фотонов до 12эВ квантовый выход возрастает сначала медленно, а при h 15 эВ, резко увеличивается, достигая значений (для металлов: Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) в пределах 0,1-0,2 электрон/фотон. При загрязнении поверхности порог фотоэмиссии сдвигается из ультрафиолетовой области в область видимого спектра, а квантовый выход возрастает. Резкого увеличения квантового выхода и смещения порога фотоэмиссии в область видимого спектра достигают нанесением на чистую поверхность металла моноатомного слоя электроположительных атомов или молекул (Cs, Rb, Cs_2, O), образующих на поверхности дипольный электрический слой.

В собственных и мало легированных полупроводниках, концентрация электронов проводимости незначительна по сравнению с таковой в металлах. В связи с этим рассеяние энергии фотоэлектронов при их взаимодействии с электронами проводимости незначительное. Существенное рассеяние энергии фотоэлектронов происходит при их взаимодействии с электронами валентной зоны (ударная ионизация) и тепловыми колебаниями кристаллической решетки (рождение фононов). Скорость рассеяния энергии и глубина из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум зависит от соотношения величин А₀/ (рис. 1.2,б). Для материалов, в строении зонной структуры которых, выполняется условие А₀ 2 , фотоэлектрон с начальной кинетической энергией (W₀A₀) рождает электронно дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (1-2 нм) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1-1 мкм). В связи с этим большая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. В таких материалах вблизи порога фотоэлектронной эмиссии квантовый выход составляет 10^-6 электрона/фотон и даже при относительно большом расстоянии от порога (h=h+l эВ), квантовый выход не превышает 10^-4 электрона/фотон.