18132

Фотоелектронна емісія

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Фотоелектронна емісія Фотоелектронна емісія або зовнішній фотоелектричний ефект це випромінювання електронів поверхнею твердого тіла або рідини під впливом падаючих на неї квантів світла. Фотоефект був відкритий Герцем у 1882 році. Осн...

Украинкский

2013-07-06

247.05 KB

17 чел.

Фотоелектронна емісія

Фотоелектронна емісія або зовнішній фотоелектричний ефект- це випромінювання електронів поверхнею твердого тіла (або рідини) під впливом падаючих на неї квантів світла. Фотоефект був відкритий Герцем  у 1882 році.

                         Основні закони фотоефекту:

1)Закон Столєтова -  фотоелектричний струм  прямо пропорційно залежить від інтенсивності світла світлового потоку  j, який викликає фотоефект:

                                     =  j                                                                                    (1)

При цьому спектральний склад світлового потоку повинен  бути незмінним. В рівнянні - чутливість, або інтегральна чутливість фотокатоду []. Інтегральна чутливість береться для „білого” світла, тобто коли джерелом світла є розжарена W-нитка. Чутливість фотокатоду – для монохроматичного випромінбвання.

     В наш час до закону Столєтова є доповнення: інтенсивність електромагнітного випромінювання не повинна бути дуже великою (мається на увазі лазерне випромінювання), бо в такому випадку 

                                                                                                                        (2) багатофотонний ефект.

2) Фотоефект має довгохвильову границю (або червону границю): тільки випромінювання з довжиною хвилі , тобто з частотою  може виривати фотоелектрони.                                                                                

3) Закон Ейнштейна: кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, тобто від кількості квантів світла. Але max енергія має лінійну залежність від частоти:

                                                                                              (4)

4) Фотоефект - явище безінерційне. Фотострум з’являється і зникає з освітленням майже разом. Час затримки не перевищує . 

Пояснення основних закономірностей фотоефекту було дано Ейнштейном.

Фотон з енергією поглинається електроном фотокатоду при їх взаємодії і енергія електрону підвищується на значення . Якщо до поглинання фотону кінетична енергія електрону , де - позитивна або негативна добавка, то після поглинання його енергія стає . Якщо імпульс такого електрону буде спрямований до поверхні, то він, втративши частину енергії на взаємодію з іншими електронами або іонами гратки, потрапить у вакуум. Після подолання на поверхні металу потенціального барєру , електрон буде мати таку кінетичну енергію:

                                                                                  (5)

В рівнянні Еа – Ео =  е* .    коли втрати енергії . Тобто для такого випадку маємо:

                                                                                                       (6)                                                                                                                                               Для     . Коли     але невелика, то також майже дорівнює 0. Тому:

                                                                                                      (7)

це і є рівняння Ейнштейна (3-й закон фотоефекту). При фотоефект неможливий ,                           Таким чином значення

                        ,                                                                                           (8)

Це є червона границя фотоефекту.

     Рівняння Ейнштейна можна записати і таким чином:

                                 ,                                                                               (9) тобто при фотоефект неможливий.

Співвідношення Ейнштейна дуже часто використовується для знаходження роботи виходу фотокатодів. Наприклад, таким чином:- випромінювання світла

, тому буде повною енергією фотоелектронів.

ВАХ фотокатоду виглядає таким чином. Коли між колектором електронів та катодом діє КПР. Частіше всього є гальмівною різницею потенціалів. Тому Vкрп = кол -кат  є гальмівною ріізницею потенціалів. З-за цього на колектор потраплять тільки високоенергетичні електрони. Тобто справжній нуль буде правіше. І тоді справжній затримуючий потенціал колектора визначається співвідношенням:

                                                                                                      (10)

Коли на колекторі відємний потенціал , то струм фотоелектронів . Цей випадок можна записати таким чином:    . Тоді маємо

                                                                                                              (11)

тобто - вимірюємо ,-задано,-знаходимо з (11). Червону границю знайдено. Тоді з (8) маємо: - фотоелектронна робота виходу. Цю формулу можна перетворити:, , тому ,

.

Фотокатоди мають такі характеристики:    

1) чутливість . Або якщо чисельник та знаменник помножити на час , то будемо мати - кількість електрики, що забрали з фотокатоду електрони за час ;-енергія, що впала за  цей час на фотокатод. В такому разі чутливість виміряється в [кул/кал-1].

Якщо прийняти до уваги не струм, а nе та nр, = nе/nр , де - кількість електронів, що емітує катод, -кількість фотонів, впавших на фотокатод.

                                          , оскільки  `

В цьому випадку вимірюється в електронах на квант і називається вона квантовим виходом. Але ж частина світлового потоку може відбитися, чи пройти фотокатод наскрізь, тому для оцінки ефективності фотокатоду фізично більш вірно його чутливість відносити не до падаючої, а до поглинутої енергії (до поглинутих квантів енергії). Це буде істиний квантовий вихід.

 Чутливість фотокатоду та квантовий вихід залежать від довжини хвилі падаючого випромінювання. Залежності та або та називаються спектральними характеристиками фотокатоду.

     Чим більша енергія квантів, тим з більшої глибини фотокатоду будуть з’являтися у вакуумі електрони. Тому  фотострум зростає. Але при фотострум падає, тому що ймовірність взаємодії фотона з електроном зменшується.

Крім того не відбувається розширення діапазону енергії електронів, які можуть брати участь в емісії (див. рис. енергетичної діаграми).

Для лужних металів та барію фотоефект є селективним. Це вже доведено, тому що експериментальна перевірка достатньо проста, як видно з рисунку.

  Фотоелектронні  прилади на основі цих металів працюють в видимій частині спектру та в області ближнього ультрафіолету, бо для них . Для інших металів  Еа > 10еВ, тобто повинно бути в області вакуумного ультрафіолету. А це дуже не проста область в технічному плані, тому до сих пір мах спектральної характеристики для цих металів не знайдено.

Маленька довідка: коли , - це видима частина спектру. Її забезпечує лампа розжарювання. Коли , - ближній ультрафіолет, тут працює ртутна лампа. Коли , - вакуумний ультрафіолет; тут працює іскровий розряд. Вакуумний ультрафіолет отримав свою назву у зв’язку з тим, що це випромінювання дуже сильно поглинається в повітрі й тому джерело повинно працювати у вакуумі при тиску не більше .

  Для металів квантовий вихід дуже малий, якщо енергія квантів не набагато перевищує :. Це зв’язано з тим, що світло проникає в метал на глибину не більше . Але з цієї глибини, крім того, електрони дуже важко пробиваються на поверхню, бо в металі багато електронів провідності, які і забирають енергію у фотоелектронів. Тому найбільше фотоелектронів потрапляє у вакуум тільки з приповерхневої області -. Зменшує ще й той факт, що поверхня металів сильно відбиває видиме й ближнє ультрафіолетове випромінювання. В області вакуумного ультрафіолету для металів вже досягає (для W,Pt,In,Be,Bi), бо для фотонів з енергією -15еВ коефіцієнт відбиття вже складає всього 5%.

   Для напівпровідників квантовий вихід майже такий, тобто ел/фот, але у видимій області спектру та в області ближнього ультрафіолету. Тому на практиці напівпровідникові фотокатоди й використовуються.

   Розглянемо особливості фотоелектронної емісії з напівпровідників. Першою такою особливістю є той факт, що в зоні провідності дуже мало електронів. Тому, коли фотоелектрон прямує скрізь цю зону, він дуже мало втрачає своєї енергії й виходить у вакуум. Цим й забезпечується високий квантовий вихід. Друга особливість полягає в тому, що термоелектронна робота виходу фотокатоду не є рівною фотоелектронній роботі виходу. Розглянемо це детальніше. Ось приклад власного напівпровідника: - термоелектронна робота виходу.

- це рівняння описує умови виходу фотоелектрону у вакуум.

, а , тобто  

  Тепер розглянемо донорний напівпровідник:

 , тобто так само як у власного напівпровідника, . Як бачимо, для цього випадку  теж й набагато. Крім того у напівпровідників є три червоні границі фотоефекту , ,

Третя червона границя потребує пояснення. Ця границя зв’язана з так званим екситонним поглинанням. Екситон виникає при такому, коли електрон валентної зони може досягти тільки області дна зони провідності. Час життя екситону . Після рекомбінації цієї пари (електрон-дірка), тобто після зникнення екситону випромінюється фотон. Цей фотон вибиває електрон з донорного рівня і той потрапляє у вакуум.

   Третя особливість у тому, що напівпровідники мають іншу функцію розподілу фотоелектронів за енергіями, ніж фотоелектрони металу. Основна відзнака енергетичних спектрів напівпровідника - велика кількість форм цих кривих.

     Домішкові напівпровідники мають ще більш складну форму й навіть в наш час  деякі з них ще не  мають однозначної інтерпретації. Взагалі це ясно, чому є третя особливість - бо є друга особливість.

   Четверта особливість - напівпровідники мають ще й внутрішній фотоефект. Він має прояв у зростанні електропровідності напівпровідника. Червона границя внутрішнього фотоефекту -  

, де - ширина забороненої зони.

Ефективні фотокатоди

     Чисті метали у зв’язку з малим квантовим виходом використовуються як фотокатоди дуже мало. Їх ставлять в прилади тільки в особливих випадках. Найбільш  поширені напівпровідникові сполуки елементів I таVI, I та V груп таблиці Мєндєлєєва. На основі сполук першого типу розроблено киснево-срібляно-цезієвий фотокатод, а на основі сполук другого типу було створено три типи фотокатодів: сурьмяно-цезієвий, вісмуто-срібляно-цезієвий та багато лужний. Розглянемо деякі з них.

І. O-Ag-Cs фотокатод.

O-Ag-Cs  фотокатод має таку спектральну характеристику. Як бачимо, вона «двогорба». Перший mах (короткохвилевий) лежить в області ультрафіолету. Другий у видимій області. Ця область достатньо широка, що непогано для практиків. Червона границя знаходиться при . За багато років існування цих фотокатодів було дуже багато пропозицій щодо їх механізму емісії. Але мабуть найбільш реальним є таке уявлення: фотокатод-це оксид цезію, в якому знаходяться дисперговані частинки срібла. Фотоемісія в області довгохвильового максимума забезпечується фотоефектом з частинок срібла, вкритих оксидом цезію. Фотоефект поблизу червоної границі забезпечується емісією електронів з атомів цезію. В області короткохвильового максимума фотоемісія електронів зв’язана з фотоефектом з Cs2O.,,, - найбільш низька робота виходу для термоелектронів.

ІІ Сурьмяно-цезієвий фотокатод-Cs3Sb

Поверхня сурми обробляється парою Cs. При цьому, скоріш за все, утворюється CsSb3, а на ньому ще й плівка цезію. Спектральна характеристика цього катоду наведена вище(разом з такою ж характеристикою киснево-срібляно-цезієвого катоду). CsSb3 має напівпровідникові властивості. Провідність його р-типу. Фотострум забезпечує перехід фотоелектронів з валентної зони CsSb3 безпосередньо у вакуум. В зв’язку з тим, що в зоні провідності майже не має електронів, цей тип фотокатодів достатньо ефективний - . Це дуже гарний показник!

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12282. Изучение методов измерения отклонений от округлости поверхностей деталей типа тел вращения 370 KB
  Лабораторная работа № 3 Изучение методов измерения отклонений от округлости поверхностей деталей типа тел вращения. Кругломер типа КД класс точности 2 ГОСТ 1735371 модель 290 предназначен для измерения отклонения от круглости поверхностей деталей образованных враще...
12283. Точность координат линейных перемещений (точность позиционирования) рабочего органа. 61 KB
  Лабораторная работа № 7 Точность координат линейных перемещений точность позиционирования рабочего органа. Точность координат линейных перемещений точность позиционирования рабочего органа. Цель работы: Изучить методы измерения и ...
12284. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ УГЛОВ ПОВОРОТА 557.5 KB
  PAGE 1 Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ УГЛОВ ПОВОРОТА Исследование точности углов поворота. Цель работы: Изучить методы измерения точности углов поворота определить погрешность поворотного стола. Приборы и материалы: механич...
12285. ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА ОТВЕРСТИЯ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ОТВЕРСТИЯМИ ПРОЕКЦИОННЫМ МЕТОДОМ НА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ МИКРОСКОПЕ 1.34 MB
  Лабораторная работа №6 ИЗМЕРЕНИЕ ДИАМЕТРА ОТВЕРСТИЯ КОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ И РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ОТВЕРСТИЯМИ ПРОЕКЦИОННЫМ МЕТОДОМ НА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОМ МИКРОСКОПЕ. В результате лабораторной работы №6 студент должен: Ознакомится с устройством инструментального микр...
12286. Изучение средств измерения шероховатости поверхности методом последовательного преобразования профиля 131.5 KB
  Лабораторная работа № 7. Изучение средств измерения шероховатости поверхности методом последовательного преобразования профиля Цель работы. Изучение функциональных возможностей профилографовпрофилометров способов получения измерительной информации и ее
12287. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ 304.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ Введение. Свет представляет собой электромагнитные волны. Как и всякие волны световые волны могут интерферировать. Интерференцией света называется сложение световых пучков вед
12288. Измерение длины cветовой волны с помощью бипризмы Френеля 83.5 KB
  Тема ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ. Цель работы: Измерение длины cветовой волны с помощью бипризмы Френеля. Описание установки. Бипризма Френеля рис.1 Рис.1 состоит из двух остроугольных призм сложенных основа...
12289. Методы диагностики внимания младших школьников 3.52 MB
  Внимание имеет огромное значение в жизни человека. Оно – необходимое условие выполнения любой деятельности. Именно внимание делает все наши психические процессы полноценными; только внимание дает возможность воспринимать окружающий нас мир
12290. Длина световой волны, ее измерение с помощью бипризмы Френеля. 181.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ 1.Цель: измерить длину световой волны с помощью бипризмы Френеля. 2.Схема: а бипризмы Френеля Sисточник монохроматический б рабочая установка: осветитель 1 щел...