ФизЭлектроника PDF-лекции / (Лекция 2)

3.2. Фотоэлектронная эмиссия

Явление испускания электронов поверхностью вещества под воздействием электромагнитного излучения называется фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэффектом. Поток электромагнитного излучения, частично проникая внутрь вещества, поглощается в нем и передает энергию электронам проводимости. В случае однофотонной эмиссии (фотон взаимодействует только с одним свободным электроном,

отдавая ему полностью свою энергию), явление наблюдается, когда

выполнено условие: hν ³ hν 0 = F , где ν 0 = c	- пороговая частота
	λ0

падающего электромагнитного излучения, начиная с которой фотон может вырвать электрон из металла, λ0 - пороговая длина волны или красная

граница фотоэффекта (рис.3.3а). Величина тока насыщения пропорциональна

~

величине светового потока - Ф (рис. 3.3б).

			Iфэ
		Iфэ	I3
			I2
			I1
ν1 ν2	ν3	ν1 >ν2> ν3	Φ3 > Φ 2 >
		U	U
			Uз
		а	б

Рис. 3.3

Для	внешнего	фотоэффекта	справедливо	уравнение	Эйнштейна:
hν = Φ + mυmax2 / 2 ,		где vmax - максимальная		скорость фотоэлектронов,
которая связана с задерживающей разностью потенциалов UЗ					соотношением
mυmax2	/ 2 = eU З . Таким образом,		задерживающая разность потенциалов UЗ

hc / λкр

связана с частотой ν света соотношением: U З = (h / e)ν −ϕ , где ϕ = Φ / e -

потенциал работы выхода (рис. 3.4). Продолжение прямой до пересечения с осью ординат определяет потенциал выхода ϕ электронов из металла, а точка

пересечения прямой с осью абсцисс дает граничную			частоту	ν0 = Φ / h
фотоэффекта. Тангенс угла	наклона	прямой	к оси		частот
tgα = dU З / dν = h / e определяется	только	постоянной	Планка	и	зарядом
электрона.

Uз

α

0

ν0 ν

φ

Рис. 3.4

В таблице представлены экспериментальные значения λ0 для различных металлов. Разброс обусловлен тем, что работа выхода зависит от многих факторов: состояние поверхности, химическая чистота материала и др.

Металл	W	Mo	Ta	Na	Ba	Cs
λ0 (мкм)	230-290	280-380	260-300	580-690	540-780	900-1700

Из представленных в таблице данных и графических зависимостей (рис. 3.5), видно, что фотоэмиссия в видимом диапазоне характерна для щелочных металлов.

В металлических фотоэмиттерах при передаче электрону фотоном минимальной граничной энергии Высота преодолеваемого потенциального барьера равна расстоянию по

шкале энергии от уровня Ферми до уровня вакуума. Таким образом, как

станет ясно позднее фотоэлектронная и термоэлектронная работы выхода совпадают.

Законы фотоэффекта, установленные экспериментально и объясненные теоретически на основе фотонной теории света, сводятся к следующим основным положениям:

∙ величина фототока насыщения Iфэ пропорциональна величине светового

~

потока - Ф (Рис. 3.3б);

∙существование длинноволнового порога фотоэффекта (Рис. 3.3а);

∙максимум энергии эмитируемых электронов определяется частотой излучения;

∙безынерционность – одномоментное (~10-9с) появление или исчезновение эффекта с падающим излучением.

Рис.3.5

Основными характеристиками фотоэмиссии являются величина

квантового выхода и спектральная чувствительность. Квантовый выход определяется как отношение числа эмитированных электронов (Ne) к числу

падающих на поверхность фотонов (Nф):	γ = Ne	. Величина квантового
	N	ф

выхода зависит от рода материала и от частоты падающего на фотокатод света. Для монохроматического излучения с длиной волны λ квантовый

I hc

выход определяется соотношением: γ = ф~ .

eФλ

При однофотонном фотоэффекте, когда энергия фотона порядка работы выхода, величина γ для чистых металлов не превосходит 10-2 эл./квант.

Увеличение частоты падающего электромагнитного излучения выше порогового значения приводит к резкому увеличению величины γ , что связано с уменьшением отражательной способности металлов при hν 10эВ .

Дальнейшее увеличение частоты приводит к возрастанию величины квантового выхода (рис. 3.5). При некоторой частоте на характеристике наблюдается максимум. Зависимость квантового выхода электронов от частоты света называется спектральной характеристикой фотокатода.

Величина плотности фототока (однофотонная эмиссия) вблизи

длинноволновой	границы описывается параболическим законом Фаулера
J ф = ch2 (ν −ν 0 )2	при Т= 0 К. Многофотонная эмиссия, когда в результате

поглощения нескольких фотонов испускается один электрон, происходит при

большой интенсивности света		~	Вт/см2).	Спектральная
		( Ф >1012
чувствительность	фотокатода	определяется	как	коэффициент

пропорциональности	между	величиной	фототока						и	величиной
монохроматического	светового	потока:	S	λ	=	I~ф	.			Спектральная
						Ф

чувствительность фотокатода, как и квантовый выход, зависит от материала фотокатода (типа кристалла) и частоты падающего излучения. Зависимости фототока, чувствительности катода и его квантового выхода от длины волны падающего излучения или частоты этого излучения называются спектральными характеристиками фотокатода, которые определяются материалом фотокатода.

Основные характеристики приемников излучения

Чувствительность. Важнейшим параметром приемников является

интегральная чувствительность S, которая определяется как отношение величины электрического сигнала, выраженной в единицах напряжения или тока на выходе приемника, к величине светового потока в люменах на его входе. Однако в спектроскопии используется больше спектральная чувствительность Sν, относящаяся к монохроматическому излучению.

Шумовые и пороговые параметры. Помимо полезного сигнала на выходе фотоприемника имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром – это шум фотоприемника. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В связи с этим вводят

пороговую чувствительность, определяемую минимальным сигналом на его выходе, который можно заметить на фоне его собственных шумов. Шумы в приемниках излучения имеют разную природу:

1)фотонный шум – шум излучения, обусловленный флуктуацией числа фотонов, поступающих на приемник в единицу времени;

2)дробовой шум - флуктуации темнового тока, возникающие при отсутствии освещения;

3)тепловой шум, соответствующий обычному некогерентному излучению, которое испускается любым телом при отличной от нуля температуры;

4)низкочастотный шум, мощность которого пропорциональна частоте,

имеет место практически во всех приемниках излучения. В зависимости от типа приемника эти шумы носят разное название.

Квантовая эффективность. Наблюдаемость сигнала определяется отношением его мощности Р к мощности шумов Рш, поступающих вместе с ним. В реальных устройствах шум на выходе может оказаться меньше, чем

на входе. Для характеристики приемного устройства в целом вводят квантовую эффективность равную

η = (Р/Рш)вых/(Р/Рш)вх. (7.10)

Величина η удобна для сравнения любых приемников излучения в реальных условиях.

Инерционность приемников. Отклик фотоприемника на поданный сигнал не может быть мгновенным. Быстрота его реакции обусловлена физическими процессами, протекающими в нем при освещении.

Быстродействие фотоприемников играет важную роль при переменном сигнале. Замедленность реакции фотоприемника приводит в этом случае к падению чувствительности при превышении критической частоты модуляции сигнала. Инерционность фотоэлектронных приемников намного меньше, чем тепловых.

Фотоэмиссионные приемники. К фотоэмиссионным приемникам относятся фотоэлементы, фотоумножители и электронно-оптические преобразователи. Фотоэмиссионные приемники отличаются более высокой чувствительностью, чем тепловые.

Принцип работы электровакуумных фотоэлектронных приборов основан на использовании фотоэлектронной эмиссии.

Фотоэлемент – прибор, в котором используется явление внешнего фотоэффекта. Различают электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Наиболее часто используют фотоэлементы, которые имеют два электрода: фотокатод, служащий источником электронов, и анод,

собирающий электроны. В видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра чаще применяют фотокатоды на основе полупроводниковых материалов. Основными параметрами фотоэлементов являются чувствительность, квантовый выход или квантовая эффективность,

шумы, минимально регистрируемая мощность излучения (пороговый поток),

обнаружительная способность, темновой ток, постоянная времени и др. К

основным характеристикам фотоэлементов относятся: спектральные, вольт-

амперные (рис. 7.13), энергетические (рис .7.14), частотные и температурные.

Рис. 7.13. Вольт-амперная		Рис. 7.14. Энергетическая
характеристика фотоэлемента		(световая) характеристика
		фотоэлемента.
Частотные	характеристики	определяются	инерционностью

фотоэлементов. Обычно электровакуумные фотоэлементы имеют частотный диапазон до 106 Гц.

Спектральными характеристиками фотоэлементов называют зависимости монохроматической чувствительности Sλ от длины волны излучения λ, воздействующего на фотокатод фотоэлемента. Эти характеристики зависят в основном от электрофизических параметров материалов, из которых изготовлены фотокатоды. Спектральные характеристики сурьмяно-цезиевых и кислородно-цезиевых катодов показаны на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Спектральная характеристика сурьмяно-

цезиевых (1) и кислородно-цезиевых (2) катодов

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) представляет собой электровакуумный фотоэлемент, объединенный с электронной усилительной системой в едином корпусе (баллоне). Действие усилительной системы основано на явлении вторичной электронной эмиссии. Устройство фотоэлектронного умножителя показано на рис. 7.16, а, б.

Эмитируемые фотокатодом (ФК) электроны, ускоряемые и фокусируемые электродами, попадают на первый динод Д1, с коэффициентом вторичной эмиссии σ.

Рис. 7.16. Устройство фотоэлектронного умножителя

Часть электронов теряется в фокусирующей и ускоряющей системе (на сетке Э, рис. 7.16, а), что обычно учитывается с помощью коэффициента γk.

С поверхности первого динода выйдет в σ раз большее число электронов, чем на него упадет. Появившиеся после бомбардировки первого динода вторичные электроны ускоряются полем второго динода Д2 и

выбивают из него вторичные электроны, т.е. со второго динода уйдет в σ2 раз большее число электронов и т. д. К аноду придет поток электронов в σm раз больший, чем было испущено катодом (m — число динодов).

Ток, протекающий в цепи анода, будет равен IA = γk mIk, где Ik – ток

эмиссии с фотокатода. Число динодов в ФЭУ может быть более 10. При коэффициенте вторичной эмиссии, равном 4, это соответствует увеличению

фототока в 106 раз.

Постоянная времени ФЭУ определяется временем развития электронной лавины и составляет обычно 10-7–10 -8 сек.

Спектральная область работы ФЭУ определяется областью чувствительностью фотокатода и прозрачностью выходного окна.

Недостатком ФЭУ является некоторая нестабильность и повышенный темновой ток. При охлаждении жидким азотом удается добиться пороговой чувствительности, соответствующей регистрации одного фотона в секунду.

Фотоэлектронная эмиссия

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называется испускание электронов веществом под действием падающего на его поверхность электромагнитного излучения. Эмиссия электронов под действием излучения наблюдается во всех агрегатных состояниях вещества: в твердом, жидком и газообразном. Наибольший практический интерес представляет фотоэлектронная эмиссия твердых тел – металлов, полупроводников, диэлектриков.

Объяснение основных закономерностей фотоэффектов впервые было дано Эйнштейном в 1905 году на основе фотонной теории света. Фотон,

обладающий энергией hν, поглощается электроном фотокатода в единичном акте взаимодействия, повышая его энергию на величину hν. Наибольшей вероятностью поглощения кванта обладают уровни залегания электронов с энергией, равной энергии кванта.

После преодоления потенциального порога электрон унесет с собой кинетическую энергию, равную

	mν2
		= Wx + hν − Wx − Wo ,	(1)
	2

где Wx – энергия, которой обладал электрон до взаимодействия с квантом;

∆Wx – энергия, теряемая при движении электрона к поверхности; mν2/2 – кинетическая энергия электрона, покинувшего фотокатод; Wo – высота потенциального порога.

Наибольшей энергией будут обладать частицы, потери которых равны нулю, т. е. электроны, находящиеся в металлах при 0 К на уровне Ферми Wf. Для них

mν2			= hν − eϕ
				(2)
	2		o .
		max

mν2			= 0 , то уравнение (2) примет вид hν		= eϕ ,
Если
2				o	o
		max

где νo – частота, при которой начинается выход фотоэлектронов – красная граница фотоэффекта:

νo =	eϕo	, λo =	c	,	(3)
	h		νo

(с – скорость света).

Более глубокое объяснение явления было сделано Фаулером. Согласно его теории электронный газ у поверхности металла, освещенного светом частотой ν, можно рассматривать как бы состоящим из смеси двух газов: