Основные закономерности фотоэлектронной эмиссии

Фотоэффект – квантовое явление, его открытие и исследование сыграли важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории: только на её основе оказалось возможным объяснение закономерностей фотоэффекта. Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Фотоэффект из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации, в конденсированной среде – работой выхода. Закон сохранения энергии при фотоэффекте выражается соотношением Эйнштейна. Фотоэффект может наблюдаться в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Первичным актом здесь является поглощение фотона атомом и ионизация с испусканием электрона. С высокой степенью точности можно считать, что вся энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону. В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При энергиях, равных или превышающих работу выхода, излучение поглощается электронами проводимости (в металлах) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках), коллективизированными в твёрдом теле. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или фотоэффект внутренний (фотопроводимость и др. фотоэлектрические явления) с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны. При энергиях фотонов, во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде (гамма-излучение), фотоэлектроны могут вырываться из " глубоких" оболочек атома. Влияние среды на первичный акт фотоэффекта в этом случае пренебрежимо мало по сравнению с энергией связи электрона в атоме и фотоэффект происходит так же, как на изолированных атомах. Эффективное сечение фотоэффекта s_ф сначала растет с w, а затем, когда становится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость s_ф от w качественно объясняется тем, что чем больше по сравнению с E_i, тем пренебрежимее связь электрона с атомом, а для свободного электрона фотоэффект. невозможен. Вследствие того, что электроны К-оболочки наиболее сильно связаны в атоме и эта связь возрастает с атомным номером Z, s_ф имеет наибольшее значение для К-электронов и быстро увеличивается при переходе к тяжёлым элементам (~ Z5). При порядка атомных энергий связи фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения гамма-излучения атомами, при более высоких энергиях фотонов его роль становится менее существенной по сравнению с др. механизмами: Комптона эффектом, рождением электронно-позитронных пар.

Фотоэффект широко используется в исследованиях строения вещества – атомов, атомных ядер, твёрдых тел, а также в фотоэлектронных приборах.

Фотоэлектронная эмиссия - внешний фотоэффект, испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов) в вакуум или др. среды. Практическое значение в большинстве случаев имеет фотоэлектронная эмиссия из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум.

Основные закономерности фотоэлектронной эмиссии состоят в следующем:

1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения;

2) для каждого вещества при определенном состоянии и температуре Т = 0 К существует порог – минимальная частота w₀ (или максимальная длина волны l₀) излучения, за которой фотоэлектронная эмиссия не возникает;

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Фотоэлектронная эмиссия – результат трех последовательных процессов:

· поглощения фотона и появления электрона с высокой (по сравнению со средней) энергией;

· движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться;

· выхода электрона в др. среду через поверхность раздела. Количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход Y – число вылетевших электронов, приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.

Фотоэлектронная эмиссия из металлов возникает, если энергия фотона hν (h – Планка постоянная, ν – частота излучения) превышает работу выхода металла е_j. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2 эв (а для большинства из них > 3 эв), поэтому фотоэлектронная эмиссия из металлов (если работа выхода не снижена специальным покрытием поверхности) может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для всех др. металлов) областях спектра. Вблизи порога фотоэлектронная эмиссия для большинства металлов Y ~ 10^-4 электрон/фотон. Малая величина Y обусловлена тем, что поверхности металлов сильно отражают видимое и ближнее ультрафиолетовое излучение (коэффициент отражения R > 90 %), так что в металл проникает лишь малая доля падающего на него излучения. Кроме того, фотоэлектроны при движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много (~ 1022 см-3), и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нм. Менее " энергичные" фотоэлектроны могут пройти без потерь энергии в десятки раз больший путь в металле, но их энергия недостаточна для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум.

Фотоэлектронная эмиссия из полупроводников и диэлектриков. В полупроводниках и диэлектриках сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов, равных ширине запрещенной зоны E_g, например, в CsJ E_g = 6, 4 эв, (для прямых оптических переходов). В слабо легированных полупроводниках электронов проводимости мало, поэтому здесь, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на электронах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при взаимодействии с электронами валентной зоны (ударная ионизация) или с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (рождение фононов). При таком механизме потерь энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводниках на длине пробега всего 10–30 нм.

Для большинства технических применений важны также материалы, обладающие высоким Y для видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых E_g. Наиболее распространены (и технически хорошо освоены) в качестве фотокатодов полупроводниковые материалы на основе элементов I и V групп периодической системы элементов, часто в сочетании с кислородом (Cs3Sb, Na2KSb и др.).

Фотоэлектронная эмиссия широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (фотоэлектронная спектроскопия), в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители), в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон), в инфракрасной технике (электроннооптический преобразователь) и в др. приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн.

Фотоэдс - электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике при поглощении в нём электромагнитного излучения (фотонов). Появление фотоэдс (фотовольтаический эффект) обусловлено пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда (фотоносителей). Разделение фотоносителей происходит в процессе их диффузии и дрейфа в электрическом и магнитном полях из-за неравномерной генерации, неоднородности кристалла, воздействия внешнего магнитного поля, одноосного сжатия и др.

Объёмная фотоэдс в однородном полупроводнике, обусловленная неодинаковой генерацией в нём фотоносителей, называется диффузионной, или фотоэдс Дембера. При неравномерном освещении полупроводника или облучении его сильно поглощающимся (и быстро затухающим в глубине кристалла) излучением концентрация фотоносителей велика вблизи облучаемой грани и мала или равна нулю в затемнённых участках. Фотоносители диффундируют от облучаемой грани в область, где их концентрация меньше, и если подвижности электронов проводимости и дырок неодинаковы, в объёме полупроводника возникает пространственный заряд, а между освещенным и затемнённым участками – фотоэдс Дембера. Величина этой фотоэдс между двумя точками полупроводника 1 и 2 может быть вычислена по формуле:

(2)

где k – Больцмана постоянная, е – заряд электрона, Т – температура, mэ и mд – подвижности электронов и дырок, σ ₁ и σ ₂ – электропроводность в точках 1 и 2. Фотоэдс Дембера при данной интенсивности освещения тем больше, чем больше разность подвижностей электронов и дырок и чем меньше электропроводность полупроводника в темноте. Излучение, генерирующее в полупроводнике только основные носители заряда, не создаёт фотоэдс Дембера, так как в этом случае эдс в объёме компенсируется равной ей по величине и противоположной по знаку эдс, образующейся на контакте полупроводника с электродом. Фотоэдс Дембера в обычных полупроводниках мала и практического применения не имеет.

Вентильная (барьерная) фотоэдс возникает в неоднородных по химическому составу или неоднородно легированных примесями полупроводниках, а также на контакте полупроводника с металлом. В области неоднородности в полупроводнике существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные и замедляет основные неравновесные носители заряда. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Разделение электронов и дырок внутренним полем эффективно, когда неоднородность не слишком плавная, так что на длине порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда разность химических потенциалов превышает kT/e (при комнатной температуре kT/e =0, 025 эв).

Вентильная фотоэдс может возникать в полупроводнике под действием света, генерирующего и электроны, и дырки или хотя бы только неосновные носители. Для практических применений особенно важна вентильная фотоэдс, возникающая в электронно-дырочном переходе или полупроводниковом гетеропереходе. Она используется в фотоэлектронных приборах (фотовольтаических элементах, солнечных элементах). По величине вентильной фотоэдс также обнаруживают слабые неоднородности в полупроводниковых материалах.

Фотоэдс может возникать также в однородном полупроводнике при одновременном одноосном сжатии и освещении (фотопьезоэлектрический эффект). Она появляется на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, её величина и знак зависят от направления сжатия и освещения относительно кристаллографических осей. Фотоэдс пропорциональна давлению и интенсивности излучения. В этом случае фотоэдс обусловлена анизотропией коэффициентом диффузии фотоносителей, вызванной одноосной деформацией кристалла. При неоднородном сжатии и одновременном освещении полупроводника фотоэдс может быть обусловлена неодинаковым в разных частях кристалла изменением ширины запрещенной зоны под действием давления (тензорезистивный эффект).

В полупроводнике, помещенном в магнитное поле и освещенном сильно поглощающимся светом так, что градиент концентрации фотоносителей (и их диффузионный поток) возникает в направлении, перпендикулярном магнитному полю, электроны и дырки разделяются вследствие их отклонения магнитным полем в противоположных направлениях (Кикоина – Носкова эффект).

Б. И. Давыдов (1937) установил, что фотоэдс может возникать и при генерации только основных носителей заряда (или при поглощении электронами проводимости излучения), если энергия фотоносителей заметно отличается от энергии др. носителей заряда. Обычно такая фотоэдс возникает в чистых полупроводниках с высокой подвижностью электронов при очень низких температурах. Фотоэдс в этом случае обусловлена зависимостью подвижности и коэффициента диффузии электронов от их энергии. Фотоэдс этого типа имеет заметную величину в InSb n-типа, охлажденном до температуры жидкого гелия.

При поглощении излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате электроны приобретают направленное движение относительно кристаллической решётки и на гранях кристалла, перпендикулярных потоку излучения, появляется фотоэдс светового давления. Она мала, но вместе с тем очень мала и её инерционность (порядка 10-11сек). Фотоэдс светового давления используется в быстродействующих приёмниках излучений, предназначенных для измерения мощности и формы импульсов излучения лазеров.