Большая Советская Энциклопедия (ФО)

Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектро'нная эми'ссия, внешний фотоэффект, испускание электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения (фотонов) в вакуум или др. среды. Практическое значение в большинстве случаев имеет Ф. э. из твёрдых тел (металлов, полупроводников, диэлектриков) в вакуум. Основные закономерности Ф. э. состоят в следующем: 1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения; 2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т ® 0 К существует порог – минимальная частота w₀ (или максимальная длина волны l₀ ) излучения, за которой Ф. э. не возникает; 3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Ф. э. – результат 3 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 Ф. э. 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.

Ф. э. из металлов возникает, если энергия фотона ( – Планка постоянная , w – частота излучения) превышает работу выхода металла е j. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2 эв (а для большинства из них > 3 эв ), поэтому Ф. э. 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 Ф. э. 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 (рис. , а). 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.

С увеличением энергии фотонов Y металлов возрастает сначала медленно. При = 12 эв Y чистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, для Bi – 0,015 электрон/фотон. При > 15 эв R резко падает (до 5%), a Y увеличивается и у некоторых металлов (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) достигает 0,1–0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить j, вследствие чего порог Ф. э. сдвигается в сторону более длинных волн, и Y в этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения Y и сдвига порога Ф. э. металлов в видимую область спектра достигают, покрывая чистую поверхность металла моноатомным слоем электроположительных (см. Ионизация ) атомов или молекул (Cs, Rb, Cs₂ O), образующих на поверхности дипольный электрический слой. Например, слой Cs снижает (и соответственно сдвигает порог Ф. э.: для W – от 5,05 до 1,7 эв , для Ag – от 4,62 до 1,65 эв, для Cu – от 4,52 до 1,55 эв, для Ni – от 4,74 до 1,42 эв .

Ф. э. из полупроводников и диэлектриков. В полупроводниках и диэлектриках сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов , равных ширине запрещенной зоны DE (для прямых оптических переходов). При » DE поглощения показатель К » 10⁴ см ^-1 и с увеличением (возрастает до 10⁵ см ^-1 . Порог Ф. э. , где c – сродство к электрону , т. е. высота потенциального барьера для электронов проводимости (рис. , б). В несильно 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 ). Скорость рассеяния энергии и глубина, из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины c и от соотношения c и DE . Если c > 2 DE , то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией ³ c 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 ). Т. о., в этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. Такая картина имеет место в Si (DE = 1,1 эв, c = 4,05 эв ); в Ge (DE = 0,7 эв, c = 4,2 эе); в GaAs (DE = 1,4 эв, c = 4,07 эв ) и др. полупроводниках. В этих материалах вблизи порога Ф. э. Y ~ 10 ^-6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при = + 1 эв ) всё ещё не превышает 10^-4 электрон/фотон. Если c < DE , но больше энергии оптического фонона (10^-2 эв ), то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов. При таком механизме потерь энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводниках на длине пробега всего 10–30 нм. Поэтому, если снизить (полупроводника, например от 4 до 1 эв, Ф. э. вблизи порога остаётся малой. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50–100 нм, невелико, поэтому Y таких кристаллов резко возрастает от самого порога Ф. э. и достигает высоких значений. Так, в CsJ DE = 6,4 эв, c = 0,1 эв и уже при = 7 эв (т. е. всего на 0,6 эв от порога), Y = 0,1 электрон/фотон и практически не изменяется при увеличении .

Применение. Из-за больших DE порог Ф. э. для щёлочно-галоидных кристаллов лежит в ультрафиолетовой области спектра, для которой они (в виде тонкой плёнки на проводящей подложке) являются хорошими фотокатодами . Для большинства технических применений важны также материалы, обладающие высоким Y для видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых DE и c. 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 (Cs₃ Sb, Na₂ KSb и др.). У них DE < 2 эв , c < 2 эв и Y в видимой области спектра достигает величины ~ 0,1 электрон/фотон.

Усовершенствование техники очистки поверхностей полупроводников в сверхвысоком вакууме позволило резко снизить полупроводников типа A^III B^V и Si р -типа до величины < DE с одновременным созданием в тонком приповерхностном слое полупроводника сильного внутреннего электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны. При этом работа выхода < DE , а высота поверхностного потенциального барьера (ниже уровня дна зоны проводимости в объёме кристалла. В результате обеспечивается выход в вакуум значительного числа термализованных (имеющих тепловые энергии) электронов из большой глубины порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда (~ 10^-4 см ). Фотокатоды такого типа называются фотокатодами с отрицательным электронным сродством (рис. , б). Они обладают самым высоким квантовым выходом в ближней инфракрасной области спектра, достигающим 0,09 электрон/фотон при l = 1,06 мкм.

Ф. э. 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.

Лит.: Соболева Н. А., Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973; Соболева Н. А., Новый класс электронных эмиттеров, «Успехи физических наук», 1973, т. Ill, в. 2, с. 331–53: Ненакаливаемые катоды, М., 1974.

Г. М. Лифшиц.

Энергетические схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а); полупроводника

с c > 2DE (б); полупроводника с поверхностью, обработанной до «отрицательного» электронного сродства (ej < DE) (в). В области сильного внутреннего электрического поля энергетические зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные электронные состояния; жирная черта — дно зоны проводимости; j — поверхностный потенциальный барьер.