Види фотоефекту. Фотоелектронна емісія

Фотоелектронним приладом називають електронний прилад, призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну. Принцип дії цих приладів заснований на зміні електричних властивостей речовин під дією падаючих на неї випромінювання, зокрема видимого світла. Фотоелектронні прилади поділяються на електровакуумні і напівпровідникові.

Вплив світла на електричні властивості речовини називається фотоефектом. Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект.

Зовнішній фотоефект – це фотоелектронна емісія, тобто випускання електронів з поверхні речовини під дією енергії падаючого світла; на цьому заснований принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів – фотоелементів і фотопомноживачів.

Внутрішнній фотоефект може бути двох видів: фоторезистивний ефект – зменшення електричного опору напівпровідника під дією падаючого світла; фотогальванічний ефект – виникнення на р-п переході під дією падаючого світла різниці потенціалів. На внутрішньому фотоефекті заснований принцип дії напівпровідникових фотоелектронних приладів.

Фотоефект виникає внаслідок зміни енергетичного стану вільних електронів у металі, а також атомів у кристалі напівпровідника при поглинанні енергії випромінювань. Енергія оптичного випромінювання виділяється й поглинається квантами – фотонами, і поширюється у вигляді хвиль, як електромагнітні коливання. При поглинанні фотонів валентними електронами один електрон може поглинути тільки один фотон. За рахунок цього його енергія стрибкоподібно збільшується.

Принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів заснований, як було сказано, на фотоелектронній емісії.

Для виходу електрона з фотокатода у вакуум необхідно, щоб електрон, що мав всередині катода максимальну енергію W, поглинув енергію фотона не меншу, ніж робота виходу електрона для даної речовини. Відповідно до квантової теорії, енергія кванта, у цьому випадку фотона, прямо пропорційна частоті випромінювання:

W_кв = h, (1.1)

де h – постійна Планка;

n – частота випромінювання.

Частота n обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:

n = с\λ (1.2)

Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилі випромінювання:

Wкв = hc\λ, (1.3)

де с – швидкість світла.

Наприклад, короткохвильове випромінювання, що відповідає фіолетовим променям видимого спектра з довжиною хвилі λ = 0,38 мкм, несе енергію фотона 3,25 ев, а довгохвильові червоні промені з λ = 0,76 мкм – енергію фотона 1,6 ев.

Мінімальна частота n_о, при якій можлива фотоелектронна емісія, називається порогом фотоелектронної емісії. Їй відповідає довжина хвилі λ_о. Її величину для даної речовини можна знайти з умови рівності енергії фотона та роботи виходу:

W_кв = W_o (1.4)

Підставивши сюди значення Wo = ejo; Wкв = ho та λо = с\o отримаємо

ho = ejo, (1.5)

звідси

o = ejo\h та λо = hc\ ejo, (1.6)

де h, c та е (заряд електронна) – постійні;

jo – робота виходу в електрон – вольтах, яка залежить від матеріалу фотокатода.

Для одержання фотоелектронної емісії в більш широкій області видимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу.

2. Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

Найпростішим електровакуумним приладом, що перетворить оптичний сигнал в електричний, є фотоелемент. Він має два електроди: фотокатод та анод. На анод подається постійна позитивна напруга щодо катода. Емітовані з фотокатода електрони рухаються до анода, створюючи в ланцюзі фотострум I_ф.

Закони Столетова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії.

Закон Столетова: величина фотоструму прямо пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінній спектральній составі світла:

Iф = SФ, (1.7)

де Ф – світловий потік у люменах;

S – коефіцієнт пропорційності, називаємий чутливістю фотокатода та вимірюваний в мікроамперах на люмен.

Закон Столетова ґрунтується на квантовій теорії: більший світловий потік несе в одиницю часу більше фотонів, отже, більше число електронів може за цей час поглинути по одному фотоні та вийти з фотокатода у вакуум. Цей закон відображається світловою характеристикою (рис. 1.1, а):

Рис. 1.1 – Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в)

Світлова характеристика – це залежність фотоструму від світлового потоку при постійній спектральній составі світла та незмінній анодній напрузі:

I_ф = f(Ф) при U_a = const (1.8)

Вона являє собою пряму лінію, що виходить із початку координат; її нахил залежить від чутливості фотокатода.

Закон Ейнштейна: максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів з фотокатода, лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого світла та не залежить від його інтенсивності.

Оскільки різниця енергії фотона та роботи виходу перетворюється в кінетичну енергію електрона, то закон Ейнштейна виражається рівнянням:

mv\2 = W_кв – W_o, (1.9)

де mv\2 – кінетична енергія електрона.

Підставивши в рівняння Wкв та Wo, отримаємо:

mv\2= h – ejo (1.10)

Це рівняння визначає лінійну залежність кінетичної енергії електрона від частоти випромінювання ; інші його елементи – постійні для даної речовини.

Максимальною кінетичною енергією будуть володіти ті електрони, які всередині фотокатода мали максимальну внутрішню енергію W i. При W_KB = Wo кінетична енергія електрона, що вилетів, дорівнює нулю, а при Wкв < Wo фотоелектронна емісія неможлива.

Закону Ейнштейна підкоряється фотоелектронна емісія із чистих металів порівняно більшої товщини. Таку емісію називають нормальною. Однак ці фотокатоди не знайшли застосування через велику роботу виходу, при якій не можна одержати емісію при опроміненні їх видимою частиною спектра. У фотоелементах і фотопомножувачах використають складні тонкоплівкові катоди, наприклад сурм'яно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронною емісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра.

Чутливість – основний параметр фотоелектронного приладу. Розрізняють інтегральну (світлову) і спектральну чутливість.

Інтегральна чутливість – це чутливість фотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світловому потоку. Вона визначається як фотострум, викликуваний загальним світловим потоком в 1 люмен:

S = I_ф\ Ф (1.11)

Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світла обраний стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання 100 Вт при температурі нитки 2850 К.

Інтегральну чутливість можна визначити по світловій характеристиці.

Спектральна чутливість – це чутливість фотокатода до монохроматичного світла. Вона визначається як фотострум, що приходить на 1 люмен світлового потоку даної довжини хвилі:

S= Iф\Ф(1.12)

Спектральні властивості фотокатода визначають по с пектральній характеристиці, що являє собою залежність спектральної чутливості від довжини хвилі випромінювання.

S= f (λ) при Ф = const (1.13)

При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна (рис 1.1, б): зі збільшенням λ, тобто зменшенням n, кінетична енергія та швидкість емітованних електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф = const. Фотоелектронна емісія припиняється при λ_о відповідно порогу n_o.

При виборчий фотоелектронной емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.1, в наведена як приклад спектральна характеристика сурм'яно-цезієвого фотокатода, що використовується у фотопомножувачах. Цей катод найбільш чутливий до видимої частини спектра (від жовто-зелених до синьо-фіолетових променів); для нього λ_о = 0,7 мкм.

Дата добавления: 2014-01-04