5.2. Вольтамперная характеристика фотоэлемента

Явление фотоэффекта изучается обычно при помощи схемы, представленной на рисунке 5.1.

И сследуемый металл наносят на пластину, называемую катодом (или фотоэмиттером). Катод помещается в стеклянный или металлический баллон, в котором создан вакуум. В этот же баллон помещен металлический анод. Баллон имеет кварцевое окно для света. Баллон, с помещенными в него катодом и анодом, называется фотоэлементом. Фотоэлемент через амперметр при помощи потенциометра R_п подключаются к источнику питания. Напряжение между катодом и анодом фотоэлемента измеряется вольтметром, а силу тока в фотоэлементе (фототока) – амперметром.

При помощи данного устройства можно исследовать зависимость фототока, протекающего через фотоэлемент, от приложенного к нему напряжения I(U), которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Примерный вид таких ВАХ, полученных при неизменной частоте (ν=const) и неизменной интенсивности света (J=const) показаны соответственно на рис. 5.2. и на рис. 5.3.

И з рисунков видно, что при напряжении U=0 фототок не равен нулю. Это свидетельствует о том, что электроны покидают катод с запасом кинетической энергии и некоторые выбитые фотонами электроны обладают достаточным запасом кинетической энергии для того, чтобы даже в отсутствии внешнего поля достичь анода.

Чтобы фототок стал равным нулю, нужно подать на анод отрицательный потенциал, и создать таким образом между анодом и катодом тормозящее электрическое поле. При определенной разности потенциалов задерживающего поля U=U_з наступает состояние, когда даже обладающие самой большой энергией электроны, из летевших к аноду, не коснувшись анода, отбрасываются назад к катоду. Ток через фотоэлемент при этом становится равным нулю. Разность потенциалов U_з, при которой ток прекращается, называется задерживающим напряжением (или задерживающим потенциалом).

Работа сил тормозящего электрического поля над электронами с максимальной кинетической энергией, в момент их остановки около анода, равна приращению этой энергии:

eU_з =ΔЕ_К = (5.5)

При подаче на анод положительного потенциала (ускоряющее поле) растет количество электронов достигающих анода, что приводит к увеличению фототока и ВАХ становится линейной. С ростом приложенного напряжения наступает момент, когда все электроны, выбитые светом из катода в единицу времени, достигают анода, и сила тока перестает зависеть от напряжения между катодом и анодом, что соответствует току насыщения I_н фотоэлемента. Существование тока насыщения экспериментально было установлено А.Г. Столетовым.

5.3. Спектральная зависимость фотоэлектронной эмиссии. Внешний фотоэффект в полупроводниках

Одной из важнейших характеристик фотоэмиттера является его квантовая эффективность (квантовый выход).

Пусть на фотоэмиттер падает в единицу времени n>>1 фотонов. Тогда число электронов n_e, испускаемых этим фотоэмиттером за единицу времени, равно n_e=Y·n. Иначе говоря, квантовый выход Y равен отношению числа электронов n_e, испускаемых фотоэмиттером за единицу времени, к тому числу фотонов, которые падают на фотоэмиттер за это время:

. (5.6)

Если частота фотона окажется меньше значения, соответствующего красной границе фотоэффекта ( <_кр), то фотоэффект не наблюдается, и квантовый выход будет равен нулю. При увеличении частоты света ( >_кр), квантовый выход быстро растет, достигая максимума при некоторой частоте _max, а затем уменьшается; при еще большем росте частоты может опять наблюдаться медленный рост квантового выхода. Указанный характер зависимости Y() связан с энергетическими состояниями свободных электронов и наблюдается у металлов.

Для большинства металлов максимальное значение величины Y не превышает 0,1 при энергии фотона h ≈10÷20 эВ. Кроме того, красная граница фотоэффекта для щелочных металлов соответствует энергии фотона _кр ≈3÷5 эВ, а для остальных металлов еще больше _кр ≈10÷15 эВ. Как известно, видимая область света простирается от длины световой волны ≈0,7 мкм (красный свет) до длины волны ≈0,3 мкм (фиолетовый свет). Это соответствует диапазону энергий фотона от 1,8 до 4,1 эВ. Это означает, что металлические фотоэмиттеры нефоточувствительны в видимой области спектра и, кроме того, имеют малый квантовый выход. Поэтому чистые металлы практически не используются в качестве фотоэмиттеров в электровакуумных приборах.

Эффективные фотоэмиттеры в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра созданы на основе полупроводниковых материалов. При этом следует отметить, что для полупроводников в уравнении Эйнштейна (5.2) вместо работы выхода А_В используют другую величину – порог фотоэффекта W:

h =W + E_Kmax. (5.7)

Это связано с более сложным, чем у металлов характером энергетических состояний электронов, способных покинуть полупроводник при фотоэффекте.

Для повышения чувствительности фотоэлементов и увеличения квантового выхода используют фотоэмиттеры сложного состава, применяются различные обработки поверхности катода, порог фотоэффекта при этом определяется для каждого типа фотоэмиттера по-разному.

Существенное влияние на фотоэмиссию оказывает примесь, добавленная в полупроводник. Наибольшей чувствительностью в видимой и ближней ИК-областях спектра обладают фотоэмттеры представляющие собой сильно легированные полупроводники p-типа. Такие фотокатоды изготавливаются на основе полупроводниковых соединений GaP (фосфид галия), GaAs (арсенид галия), InP (фосфид индия) и их твёрдых растворов, а также на основе кремния (Si).

При использовании полупроводниковых фотоэмиттеров удается увеличить максимальное значение квантового выхода Y_max до 0,5 при пороге фотоэффекта W=1÷2 эВ.