3.4.Фотоелектронна емісія

3.4.1. Основні закони фотоелектронної емісії.

Фотоелектронна емісія або зовнішній фотоефект – це фізичне явище виходу електронів з поверхні твердого (або рідкого) тіла під дією опромінення цієї поверхні світлом.

Оптичний діапазон опромінення включає в себе три піддіапазони(області спектра): ультрафіолетовий(УФ)- 0,001-0,38 мкм, видимий- 0,38-0,78 мкм і інфрачервоний(ІЧ)- 0,78-1000 мкм.

Фотоефект був відкритий Г.Герцем в 1887 р. І вже на ранніх стадіях вивчення цього явища були встановлені два основних закони фотоефекту:

1. Сила струму фотоелектронної емісії І_ф прямо пропорційна інтенсивності падаючого на емітер світлового потоку Ф при постійному його спектральному складі(закон Столєтова, 1888р.):

І_ф=S_фФ,

де S_ф- коефіцієнт пропорціональності, який називається чутливістю фотоемітера;

2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів ( )_max прямо пропорційна частоті випромінювання і не залежить від його інтенсивності (закон Ейнштейна, 1905р.):

( )_max=hν-eϕ₀

Загальноприйнята на той час електромагнітна хвильова теорія світла дозволяла пояснити тільки перший закон. Для теоретичного пояснення другого закону знадобилось переглянути класичне уявлення про природу світла. Це зробив Ейнштейн, який розробив фотонну теорію світла і математично сформулював другий закон фотоефекту. За цією теорією електромагнітне випромінювання, що падає на поверхню металу, являє собою потік квантів світла(фотонів), які взаємодіють з електронами металу і збуджують їх. При цьому припускалось, що окремий електрон поглинає тільки один фотон. Якщо в початковому стані енергія електрона була Е₁, тоді після поглинання фотона його енергія стане Е₁+ hν. Рухаючись до поверхні емітера, цей електрон може втратити(розсіяти) частину своєї енергії δЕ.

Якщо енергія, що залишилась, виявилась більшою, ніж повна робота виходу Е₀ і швидкість електрона була направлена в сторону поверхні емітера, тоді електрон подолає потенціальний бар`єр і вийде з емітера в вакуум. При цьому електрон буде мати кінетичну енергію, що дорівнює:

Е_к= =Е₁+ hν- δЕ-E₀

а б в

Рис.1.17

Різні значення початкової енергії Е₁ для електронів і випадковий характер втрат δЕ зумовлює певний розподіл їх швидкостей. Найбільше значення Е будуть мати ті електрони, які до поглинання кванта мали енергію, найбільшу для цієї речовини (наприклад, для металу Е_1max=E_ф), і емітувалися без втрат енергії(δЕ=0). Тоді

Е = hν-(Е₀- E_ф) ( )

Доданок в дужках називають фотоелектронною роботою виходу φ_фе. Це та мінімальна енергія кванта hν₀= φ_фе, за якої ще можливий вихід електронів з нульовою швидкістю. Частоту ν₀ називають іноді «червоною» межею фотоефекту.

З використанням поняття граничної частоти ν₀ вираз ( ) можна подати у вигляді рівності, яка є найбільш лаконічною формою запису закону Ейнштейна:

Е = h(ν-ν₀)

Фотоелектронна емісія з напівпровідників має свої особливості, які обумовлені специфікою їх енергетичної структури (Рис.1.18.).

Рис.1.18

Найбільш суттєвою є різниця між фотоелектронною φ_фе= hν₀ і термоелектронною φ=е ₀ роботами виходу. Це пояснюється тим, що значення hν₀ визначається різницею між вершиною потенціального бар`єра Е₀ і найвищим рівнем енергії, з якого фотони можуть збуджувати електрони при Т=0. В металі таким рівнем є рівень Фермі Е_ф, а у власному напівпровіднику - це найвищий рівень валентної зони Е_v. Ефективність фотоелектронної емісії з напівпровідників і діелектриків визначається величиною енергії електронної спорідненості , яка для різних речовин складає від кількох десятих долей до кількох одиниць електрон-вольт. Для підвищення цієї ефективності знижують електронну спорідненість шляхом нанесення на поверхню напівпровідника моноатомних плівок електропозитивних атомів , наприклад, Cs або моношарів молекул з великим дипольним моментом(Cs₂O, BaO та інші).

Найбільший ефект досягається при одержанні нульової або навіть від`ємної електронної спорідненості. Для цього використовують домішкові напівпровідники р-типу, у яких при сильному легувальні акцепторною домішкою (10<sup>18</sup> – 10<sup>19</sup> см<sup>-3</sup>) рівень Фермі майже співпадає з найвищим рівнем валентної зони. В ході установлення термодинамічної рівноваги електрони з заповнених поверхневих енергетичних рівнів переходять на розташовані нижче вільні об`ємні рівні акцепторної домішки і валентної зони (дірки), що приводить до створення позитивного поверхневого заряду і вигину вниз енергетичних зон на деяку величину ΔЕ_s (Рис.1.19.).

Термоелектронна робота виходу φ=е ₀ стає меншою ширини забороненої зони ΔЕ. Ефективну електронну спорідненість _ефек можна визначити як різницю між електронною спорідненістю на поверхні напівпровідника і величиною енергії ΔЕ_s. Оскільки <ΔЕ_s, величина _ефек= - ΔЕ_s від`ємна.

Рис. 1.19

Особливістю таких катодів є те, що в них полегшується вихід електронів з глибоких шарів з області плоских зон. Для електронів, збуджених біля поверхні, потенціальний бар`єр залишається попереднім. «Гарячі» електрони, збуджені в глибині, практично миттєво термалізуються і протягом часу життя в зоні провідності рухаються хаотично. Тому їх рух до поверхні має дифузійний характер і глибина, з якої можлива емісія, відповідає дифузійній довжині.

Гранична частота фотокатодів з від`ємною електронною спорідненістю визначається шириною забороненої зони напівпровідника і знаходиться зазвичай в інфрачервоній області. Зниження електронної спорідненості підвищує чутливість катодів перш за все біля границі фотоефекту.

Такі фотокатоди використовуються як фотоприймачі інфрачервоного випромінювання, в тому числі в приладах нічного бачення.