Общие сведения о фотоэлектронной эмиссии
Фотоэлектронной эмиссией называется эмиссия электронов из вещества в вакуум под действием электромагнитного излучения. Процесс фотоэлектронной эмиссии слагается из трех основных этапов:
поглощение квантов излучения электронами вещества, что приводит к их возбуждению и переходу на более высокие энергетические уровни (горячие электроны);
движение возбужденных (горячих) электронов из толщи эмиттера к границе эмиттера с вакуумом (транспорт электронов);
выход электронов через потенциальный барьер из эмиттера в вакуум.
Поглощенные фотокатодом фотоны один на один взаимодействуют с электронами вещества, увеличивая их энергию на величину, равную кванту энергии h v (любой электрон не может получить больше одного кванта энергии)1. На пути от места возбуждения до границы эмиттера с вакуумом возбужденный электрон теряет часть своей энергии за счет столкновения с другими электронами. Потери энергии тем больше, чем выше концентрация электронов в материале (например, в металлах) и чем дальше от поверхности эмиттера находится возбужденный электрон (длина свободного пробега электрона не превышает 1 — 2 мкм). Вылететь из эмиттера в вакуум смогут только те электроны, энергия которых при подлете к поверхности катода остается достаточной для преодоления электрического притяжения со стороны положительных ионов поверхности фотокатода. Наличие этого электрического притяжения создает потенциальный (энергетический) барьер на границе поверхности эмиттер — вакуум. Величина потенциального барьера Е равна разности энергии, соответствующей уровню вакуума £в, и энергии, соответствующей дну зоны проводимости Е3 Пр (рис. 19.1).
Величина потенциального барьера характеризует электронное сродство материала фотокатода к электрону. Чем больше электронное сродство ЕЛ, тем меньше глубина выхода электрона из материала фотокатода и меньше вероятность фотоэмиссии. Практически для фотоэмиссии материала с большим электронным сродством требуется излучение с малой длиной волны, состоящее из квантов большой энергии.
Чистые металлы практически не применяются для фотоэмиттеров. Металлы характеризуются высокой отражательной способностью по отношению к излучению, что снижает коэффициент поглощения излучения; в металлах возбужденные излучением электроны претерпевают большое число столкновений со свободными электронами зоны проводимости (каждое из которых сопровождается потерей энергии), что уменьшает длину свободного пробега и глубину выхода электрона.
Изоляторы также не применяются для фотоэмиттеров, из-за малой электропроводности изоляторов уход эмиттированных электронов не успевает компенсироваться притоком электронов от внешнего источника, что изменяет потенциал фотокатода. Наибольшее распространение в качестве фотокатодов получили материалы, обладающие полупроводниковыми свойствами.
Полупроводники характеризуются высоким коэффициентом поглощения, низким коэффициентом отражения и достаточной электропроводностью. Полупроводники p-типа (рис. 19.1, б) обычно являются более эффективными эмиттерами, чем полупроводники л-типа (рис. 19.1, а), они характеризуются более Длинноволновой границей фотоэффекта. В полупроводниках п-типа электроны с донорных уровней переходят на свободные поверхностные уровни и образуют у поверхности эмиттера отрицательный пространственный заряд, обусловливающий изгиб 2 энергетических зон вверх, — это тормозит фотоэлектроны, Движущиеся к поверхности, и препятствует их выходу в вакуум. В полупроводниках p-типа электроны с энергетически более вь1соких поверхностных уровней переходят на акцепторные Уровни, поэтому на поверхности эмиттера образуется неском-ненсированный положительный заряд, что приводит к изгибу Z Энергетических зон вниз и соответственно облегчает вылет Фотоэлектронов из толщи полупроводника в вакуум. Условие обеспечения фотоэлектронной эмиссии в полупроводнике:
Таким образом, чем больше работа выхода, тем меньше должна быть длина волны излучения, вызывающая фотоэмиссию. Поэтому для каждого фотоэмиттера существует граничная (пороговая) длина волны, выше которой фотоэмиссия не наблюдается. Эта пороговая длина волны называется красной (или длинноволновой) границей фотоэмиссии. При длинах волн больше Л пор электронам вещества не хватает энергии для вылета в вакуум. Следует учесть, что красная граница фотоэлектронной эмиссии зависит не только от состава вещества фотокатода, но и от структуры, чистоты и степени шероховатости его поверхности.
Из формулы следует, что при заданной материалом полупроводника ширине запрещенной зоны ДЕ любые технологические приемы, способствующие уменьшению Ео — Ею и еу , приводят к снижению потенциального барьера и электронного сродства Еа и соответственно повышению интенсивности фотоэмиссии и пороговой длины волны (красной границы) фотоэмиссии.
Снижение работы выхода достигается нанесением на поверхность полупроводников пленки атомов электроположительного вещества (например, Cs) или молекул с большим дипольным моментом (например, CsaO, ВаО и др.).
Следует отметить, что в полупроводниках (в отличие от металлов) энергетические уровни, определяющие порог фотоэмиссии и термоэлектронной эмиссии, не совпадают, что позволяет раздельно воздействовать на фото- и термоэмиссионные свойства фотокатодов и получать фотокатоды с большим порогом фотоэмиссии (большой пороговой длиной волны) и малым значением термотока.
Следовательно, условие фотоэмиссии удовлетворяется только при:
