Внешний фотоэффект. Фотоэлементы. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

Внешний фотоэффект – эмиссия электронов из твердого тела под действием поглощенных фотонов, иначе - фотоэлектронная эмиссия. (Эмиссия – выход электрона). Это квантовое явление, наблюдается у металлов, полупроводников, а иногда и у диэлектриков. Если частота излучения n>n₀, электрон может выйти из твердого тела с кинетической энергией, определяемой формулой Эйнштейна:

1/2mv² = hn - hn₀, m – масса покоя электрона,

n_о – начальная частота излучения.

Схему внешнего фотоэффекта можно представить так: на твердое тело падает поток фотонов и вырывает с его поверхности электрон (эмиссия), фотоэлектрон с отрицательным зарядом стремится к аноду, в цепи возникает электрический ток, который через нагрузку усиливается и регистрируется измерительным прибором. Понятно, чем больше выйдет фотоэлектронов, тем больше будет ток или разность потенциалов.

Законы внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности и определяется формулой Эйнштейна.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (порог фотоэффекта), минимальная частота. Она зависит от химической природы материала и состояния его поверхности.

3. Число фотоэлектронов, вырываемое из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

4. Фотоэффект практически безинерционен, время между поглощением фотона с появлением фотоэлектрона < 10^-12с.

В полупроводниках фотон поглощается (возбуждается) из связанных состояний (валентная зона, примесная зона).

Важной характеристикой приёмников излучения является квантовый выход h, равный отношению числа фотоэлектронов к числу падающих квантов света. Если энергетический поток, падающий на твердое тело W, то число падающих квантов равно W/hn. Пусть число фотоэлектронов равно n_ф, тогда квантовый выход h = (n_ф×hn)/W или n_ф = h×(W/hn). Если все фотоэлектроны попадут на анод, то фототок I_ф = е×n_ф = h×(еW/hn), т.е. фототок тем больше, чем больше величина квантового выхода. Квантовый выход у металлов имеет небольшую величину, h = 0.1 – 0.2. Наибольшим квантовым выходом обладают катоды из полупроводников, h = 0.3 – 0.4 (рис. 16). Это связано, в первую очередь, с тем, что работа выхода у металлов раза в два больше, чем у полупроводников, у которых внешний фотоэффект – объемный процесс. У металлов же работает поверхность, состояние которой должно быть идеальной. Снизить работу выхода и повысить квантовый выход можно нанесением на поверхность металла или полупроводника моноатомного слоя вещества с малой работой выхода, например, цезия.

Рис. 16. Спектральная зависимость квантового выхода фотоэлектронов в системе GaAs + Cs: сплошной кривой показан выход в расчёте на один падающий фотон, пунктирной – в расчёте на один поглощённый фотон.

Фотоприемники излучения, работающие на внешнем фотоэффекте:

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом,

2. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянную колбу с впаянными в нее катодом и анодом. Лучистый поток, попадая на катод, выбивает из него электроны, которые устремляются к аноду. На нагрузке выделяется электрический сигнал. Фотоэлемент заполняется инертным газом, фототок увеличивается еще из-за ионизации газа. Обычно фотоэлемент имеет некоторое темновое напряжение.

Параметры фотоэлемента с внешним фотоэффектом:

Интегральная чувствительность: (100 – 200) мкА/лм.

Рабочее напряжение: (100 – 300) В.

l = (0.3 – 1.2) мкм.

Шумы: дробовой (из-за термоэлектронной эмиссии), шум 1/f, а также радиационный и температурный шумы.

Дата добавления: 2014-01-05