Лекция 11. ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. Фотоэлектронная эмиссия. Законы Столетова и Эйнштейна. Теория фотоэмиссии. Кривая Фаулера. Применение фотоэмиссии в технике. Фотокатоды. Внешний фотоэффект – это фотоэлектронная эмиссия, т.е. эмиссия электронов твердым телом под действием падающего на него света. Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г., но особенно он его не заинтересовал, и систематическое изучение фотоэффекта было проведено профессором Московского университета Столетовым с 1888 по гг. В результате в науке имя Столетова входит в два названия: «закон Столетова» и «эффект Столетова». Закон Столетова формулируется так: «количество эмитируемых электронов, т.е. фото­электрон­ный ток в режиме насыщения прямо пропорционален интенсивности облучения, т.е. падающему на эмиттер току: ». Эффект Столетова, как оказалось, не имеет прямого отношения к фотоэффекту. но созданная им аппаратура по понижению давления позволила исследовать зависимость величины тока в разрядном промежутке, создаваемого, электронами фотоэмис­сии, от давления газа и выявить, что с понижением давления разрядный ток сначала возрастает, затем проходит через максимум и начинает убывать. А P АК Эффект Столетова. P

Законы Столетова и Эйнштейна Спектральной характеристикой фотокатода называется зависимость фототока от. Фотоэлектронная чувствительность – это отношение фототока к потоку излучение:. Для характеристики фоточувствительности иногда используют понятие квантового выхода фотокатода – число электронов на один гамма квант, для чистых металлов квантовый выход. Спектральная чувствительность. Спектральная чувствительность: служит для определения диапазона частот, в котором фотоэффект максимален. Спад спектральной чувствительности при объясняется снижением вероятности поглощения гамма кванта электроном. Вторым законом фотоэмиссии считается закон Эйнштейна: «максимальная энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте излучения и зависит только от частоты» : Эта закономерность была установлена экспериментально Ленардом в 1899 г. Но объяснил это явление Эйнштейн, поэтому и закон называется его именем. Если закон Столетова находил объяснение в рамках классической волновой теории света, то закономерность Ленарда не находила объяснения, поэтому Эйнштейну пришлось ввести в физику понятие о фотонах – квантах света.

Экспериментальные распределения фотоэлектронов по энергиям. Наиболее принципиальным из рассмотренных закономерностей фотоэффекта является закон Эйнштейна, поэтому именно он проверялся наиболее тщательно. Распределение фотоэлектронов по энергиям можно определить экспериментально методом задерживающего потенциала. Для сбора на анод всех фотоэлектронов в опытах Лукирского и Прелижаева использовались катод в виде шара и анод в виде концентрической катоду сферы, через узкое отверстие которой на катод подавался луч света Разность значений тока при двух задерживающих потенциалах U и (U + U) дает число фотоэлектронов, энергия которых при вылете с катода лежит в пределах от -eU до - e(U+ U) Определение граничной частоты фотоэффекта. К А А I U, эВ 0,50,6 1,2

Теория Фаулера. Основные закономерности ФЭЭ металлов хорошо описываются теорией Фаулера, согласно которой после поглощения в металле фотона его энергия переходит электронам проводимости, в результате чего электронный газ в металле около его поверхности состоит из смеси газов с нормальным (распределением Ферми) и возбужденным (сдвинутым на h ) распределением по энергиям. Для подсчета числа фотоэлектронов можно провести такое же интегрирование функции распределения, что и при подсчете плотности тока термоэмиссии, изменив нижний предел интегрирования с Wa на Wa - h, тем самым, включив в интегрирование электроны, которые приобретают недостающую для преодоления потенциального барьера энергию за счет поглощенных квантов.

Теория Фаулера. Так же, как и для термоэлектронов, необходимо учитывать вероятность прохождения барьера, так как часть электронов при движении из металла может быть отражена от поверхности раздела металл - вакуум. Кроме этого, необходимо учесть вероятность поглощения фотона. Эта вероятность в общем случае зависит от энергии поглощающего электрона и энергии гамма- кванта. В теории Фаулера эта вероятность считается постоянной величиной, что, как оказалось, в интервале частот от гр до 1.5 гр выполняется. До облучения число электронов, падающих изнутри на поверхность в 1 секунду на 1 см 2, имеющих энергии от до : Плотность фототока : где (учитывает вероятность поглощения гамма кванта) нижний предел интегрирования учитывает поглощение (из металла выходят электроны с энергией ).

Теория Фаулера. Фаулер предположил, что прозрачность барьера ( на самом деле действительно ). Ранее при выводе плотности тока термоэлектронной эмиссии, когда нижний предел был равен, было использована малость экспоненты Теперь же экспонента не является малой величиной. Сделаем обозначения: Тогда Этот интеграл табличный, его можно разложить в ряд. При, тогда

Теория Фаулера. При При (т.е. разбиваем интеграл на два: Таким образом плотность фототока определяется по формуле Фаулера: где B1, B2, B3 – постоянные коэффициенты, пропорциональные A.

Обределение граничной частоты фотоэффекта методом Фаулера На основании теории Фаулера основан наиболее точный метод измерения граничной частоты, т.е. работы выхода. Рассмотрим функцию где Это будет экспериментальная кривая. Данная кривая отличается от теоретической кривой функции Фаулера F = F(h /kT) сдвигом по оси y на константу B и по оси x на =h гр /kT. Именно определение сдвига по оси x экспериментальной кривой для ее совмещения с теоретической кривой Фаулера позволяет найти граничную частоту гр. теоретическая кривая Фаулера

Фотоэффект для полупроводников. Под действием света за счет поглощения гамма кванта электроны из заполненной зоны могут переходить в зону проводимости, при этом в заполненной зоне остается «дырка» В результате увеличивается проводимость и электронная, и «дырочная». Наиболее чувствительны к облучению примесные полупроводники. Если в кристалл кремния (или германия) добавить немного трехвалентного бора или пятивалентного фосфора, то получится примесный полупроводник. В первом случае атом бора, находясь пустая зона проводимости 1-я (верхняя) заполненная зона 2-я заполненная зона. Энергетические зоны для примесных полупроводников зоны проводимости знак после донорства уровень доноров уровень акцепторов заполненная зона знак после присоединения акцептора Полупроводник n-типа Полупроводник p-типа в кристаллической решетке четырехвалентного кремния, имеет недостаток в одном электроне и создает дырку, на переход к нему электроны соседа, т.е. перемещение дырки, требуется всего-то

Технические фотокатоды. Чистые металлы, как правило, не применяются в качестве фотокатодов, т.к. красная граница из-за большой работы выхода лежит в ультрафиолетовой области. Да и квантовый выход металлов крайне мал. У металлов есть преимущество только в том, что нет «фотостарения», т.е. фоточувствительность не уменьшается со временем использования. Поэтому это свойство является решающим, например, для фотокатодов электронных умножителе Полупроводники благодаря малой работе выхода имеют красную границу именно в инфракрасной области, поэтому охватывают весь видимый спектр света. Да и квантовый выход у них больше, чем у металлов, т.к. при движении к поверхности фотоэлектрон полупроводника теряет мало энергии по сравнению металлами, т.к. мала концентрация электронов проводимости, на взаимодействие с которыми главным образом теряется энергия. зона проводимости заполненная зона 0.3 эВ 0.8 эВ 1.1 эВ уровни атома Cs уровень атома Ag Заполненная зона Cs 2 O Уровни Ag Уровни Cs Причем наибольший квантовый выход следует ожидать для полупроводников, у которых фотоэлектроны выходят из заполненной зоны, т.к. их там гораздо больше, на примесных уровнях