AllPhysics.ru

ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ (внешний фотоэффект), испускание эл-нов тв. телами и жидкостями под действием эл.-магн. излучения в вакуум или др. среду. Практич. значение имеет Ф. э. из тв. тел в вакуум. Осн. закономерности Ф. э.: 1) кол-во испускаемых эл-нов пропорц. интенсивности излучения; 2) для каждого в-ва при определ. состоянии его поверхности и темп-ре T=0К существует порог— миним. частота w₀ (или макс. длина волны λ₀) излучения, за к-рой Ф. э. не возникает; 3) макс. кинетич. энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения w и не зависит от его интенсивности.

Ф.. э.— результат трёх последоват. процессов: поглощения фотона и появления эл-на с высокой (по сравнению со средней) энергией; движения этого эл-на к поверхности, при к-ром часть энергии может рассеяться; выхода эл-на в др. среду через поверхность раздела. Количеств. характеристикой Ф. э. явл. квантовый выход Y — число вылетевших эл-нов, приходящееся на один фотон, падающий на поверхность тела. Величина Y зависит от св-в тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.

Ф. э. из металлов возникает, если энергия фотона ћw превышает работу выхода металла Ф (рис., а). Для чистых поверхностей большинства металлов Ф>3 эВ, поэтому Ф. э. из металлов (если Ф не снижена спец. покрытиями поверхности) может наблюдаться в видимой и УФ (для щелочных металлов и Ва) или только в УФ (для всех др. металлов) областях спектра. Вблизи порога Ф. э. для большинства металлов Y~10^-4 электрон/фотон.

Энергетич. схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а); полупроводника с c>2ξ_д (б); полупроводника с поверхностью, обработанной до отрицат. электронного сродства (c<ξ_д, рис. в). В области сильного внутр. электрич. поля энергетич. зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные электронные состояния; жирная линия — дно зоны проводимости.

Малость Y обусловлена тем, что свет проникает в металл на глубину ~10^-5 см, и там в основном поглощается. Фотоэлектроны при движении к поверхности сильно взаимодействуют с эл-нами проводимости, к-рых в металле много, и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода сохраняют только те фотоэлектроны, к-рые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей 10^-7 см. Кроме того, поверхности металлов сильно отражают видимое и ближнее УФ излучения.

С увеличением энергии фотонов квант. выход Y металлов возрастает сначала медленно (при ћw=12эВ для чистых металлич. плёнок Y_Bi=0,04; Y_Al=0,015 электрон/фотон). При ћw=15 эВ, коэфф. отражения R резко падает (до ~5%), а энергия эл-нов внутри металла, поглотивших фотоны, возрастает, и У быстро увеличивается, достигая и у нек-рых металлов (Pt, W, Sn, Та, In, Be, Bi) 0,1—0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить Ф, вследствие чего порог Ф. э. сдвигается в сторону более длинных волн (из УФ в видимую область), и У в этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения У и сдвига порога Ф. э. металлов в видимую область спектра достигают, покрывая чистую поверхность металла моноатомным слоем электроположит. атомов или молекул (Cs, Rb, Cs₂, О), образующих на поверхности дипольный электрич. слой (см. Фотокатод).

В полупроводниках и диэлектриках порог Ф. э. hw₀=ξ_д+c, где ξ_д—ширина запрещённой зоны, c— сродство к электрону, представляет собой высоту потенц. барьера для электронов проводимости (рис. 1, б). В не сильно легированных ПП эл-нов проводимости мало, поэтому здесь, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на эл-нах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при вз-ствии с эл-нами валентной зоны (ударная ионизация) или с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (рождение фононов). Скорость рассеяния энергии и глубина,

из к-рой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины % и от соотношения c и ξ_д. Если c>2ξ_д, то фотоэлектрон с начальной кинетич. энергией ³c рождает электронно-дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (~1—2 нм) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1—1 мкм). В этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. В этих материалах вблизи порога Ф. э. Y~10^-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при ћw=ћw+1 эВ) всё ещё не превышает 10^-4 электрона/фотон.

Если c<ξ_д, но больше энергии оптич. фонона (ћw~10^-2 эВ), то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптич. фононов. При этом энергия фотоэлектронов рассеивается в ПП на длине пробега l всего 15— 30 нм. Поэтому даже если снизить c полупроводника (напр., от 4 до 1 эВ), Ф. э. вблизи порога остаётся малой. В диэлектрич. кристаллах щёлочно-галогенных соединений, где длина пробега больше (50—100 нм), c невелико, поэтому У резко возрастает от самого порога Ф. э. и достигает высоких значений.

Очистка поверхности ПП в сверхвысоком вакууме, нанесение на неё монослоёв атомов или молекул, снижающих c и спец. легирование ПП позволяют создать в тонком приповерхностном слое сильное внутреннее электрич. поле, ускоряющее фотоэлектроны и уменьшить работу выхода так, чтобы Ф<ξ_д. При этом высота поверхностного потенц. барьера c может стать ниже уровня дна зоны проводимости в объёме кристалла (рис., в). Это обеспечивает выход в вакуум значит. числа термализованных эл-нов из большой глубины ~10^-4 см (фотокатоды с отрицат. электронным сродством).

• См. лит. при ст. Фотокатод.

Т. М. Лифшиц.