Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронной эмиссией, или внешним фотоэффектом, называют эмиссию электронов из кристалла под действием падающего на его поверхность светового потока (квантов).

Основные законы фотоэмиссии:

1. Отношение числа эмиттированных электронов N_e к числу приходящих на катод фотонов N_ф (U=N_e/N_ф) – величина, которая зависит от рода материала и от частоты падающего на фотокатод света. Это отношение называют квантовым выходом фотокатода. Представим число приходящих на фотокатод фотонов как отношение светового потока к энергии фотона:

.

Тогда спектральная чувствительность фотокатода будет:

Видно, что спектральная чувствительность фотокатода, как и квантовый выход U, является величиной, зависящей от рода кристалла (материала фотокатода) и частоты (энергии квантов) падающего на фотокатод света.

2. Проникая в металл фотокатода, каждый фотон взаимодействует только с одним свободным электроном, отдавая ему полностью свою энергию. Энергия фотона суммируется с энергией электрона , которую он имел до встречи с фотоном. Если при этом электрон движется в сторону поверхности металла и компонента его скорости в этом направлении достаточна для преодоления потенциального барьера на границе, то электрон может покинуть металл. Вероятность этого зависит от величины энергии фотона и от того, какой из валентных электронов (быстрый или медленный) приобретает эту энергию. При своем движении в металле электрон может потерять часть энергии при рассеянии на дефектах кристаллической решетки и на примесных атомах.

Уравнение баланса энергии эмиттированного электрона

где – кинетическая энергия электрона после выхода из кристалла.

Если считать, что электрон после получения энергии фотона при движении к поверхности не потерял ее (), а первоначально он имел энергию, равную уровню Ферми, то можно записать:

Это максимальная энергия, которую может иметь электрон за пределами кристалла. Она определяется энергией кванта света ().

3. При уменьшении частоты световых колебаний (энергии кванта) должна уменьшаться максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов. При некоторой пороговой частоте n₀ она станет равной нулю.

Физический смысл этого соотношения состоит в том, что энергии фотона едва достаточно для освобождения из кристалла электронов уровня Ферми. Электроны более низших электрических уровней вообще не могут покинуть кристалл, получив энергию hn₀. При частоте ниже n₀ даже электроны уровня Ферми не могут покинуть кристалл, т.е. фототок отсутствует.

Зависимость квантового выхода электронов от частоты света называется спектральной характеристикой фотокатода. При некоторой частоте на характеристике наблюдается максимум. Спектральная характеристика определяется материалом фотокатода (смотри справочник).

Энергия электронов после выхода из кристалла зависит от их энергии до поглощения кванта и от потерь энергии на пути к поверхности кристалла.

Наиболее вероятная энергия электронов, соответствующая максимуму кривой, составляет 0,4¸0,5 от их максимальной энергии (рис. 2.15). При увеличении частоты света возрастает максимальная энергия электронов. Увеличивается и наиболее вероятная энергия электронов, т.е. кривая распределения растягивается в сторону больших энергий. Обратите внимание: электроны покидают фотокатод с энергиями в десятые доли электрон-вольта, и чтобы они работали в приборе, их надо ускорять.

4. Квантовый выход чистых металлов даже в максимуме спектральной характеристики не превышает 10^–3 эл./квант.

Поиски материалов, обладающих более хорошими фотоэмиссионными свойствами, привели к появлению обширной группы полупроводниковых катодов. У полупроводников имеется несколько групп электронов, существенно различающихся энергетическими состояниями. Например, примесный полупроводник донорного типа. Наиболее многочисленной является группа валентных электронов. Она определяет собственный фотоэффект полупроводников. Второй группой являются электроны донорной примеси. Третьей группой являются свободные электроны зоны проводимости.

Квантовый выход полупроводников, имеющих малую эффективную работу у выхода, оказывается большим. Фотоэмиттеры такого типа называются эффективными. Эффективные полупроводники имеют кубическую структуру кристаллической решетки, характерную для дырочной электропроводности, и обладают хорошей электропроводностью, необходимой для пополнения электронов из внешней цепи.

Этим условиям удовлетворяют примесные полупроводники.