1. Введение

Фотоэлектрическим эффектом называют изменение какого-либо параметра электрической цепи под действием света, падающего на один из элементов этой цепи.. Различают три вида фотоэффекта:

Внешний фотоэффект - эмиссия электронов с поверхности тела под действием света

Внутренний фотоэффект - появление внутри вещества под действием света добавочных электронов проводимости, что приводит к уменьшению сопротивления вещества.

Фотоэффект запирающего слоя - возникновение под действием света, падающего на границу металл-полупроводник и границу двух полупроводников с различного типа проводимостью, электродвижущей силы.

В данной работе изучается природа и закономерности внешнего фотоэффекта - фотоэлектрической эмиссии, используемой в фотоэлементах и других преобразователях световых сигналов: электронно-оптических преобразователях изображения, передающих телевизионных трубках и др.

2. Законы фотоэлектрической эмиссии

Фотоэлектрическая эмиссия характеризуется следующими основными законами.

1. Фотоэлектронный ток (в режиме насыщения) прямо пропорционален падающему на катод потоку излучения (закон Столетова).

J=kФ(6.1)

2. Максимальная энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте излучения и не зависит от его интенсивности (Закон Эйнштейна):

(6.2)

где hν - энергия кванта,eφ₀ - работа выхода катода.

Из выражения (6.2) видно, что существует граничная частота фотоэффекта ν₀, определяемая из условия

(6.3)

Граничная частота ν₀ определяет начало участка спектра, на протяжении которого наблюдается фотоэлектронная эмиссия. Важное значение имеет, как распределена фотоэлектрическая чувствительность на этом участке спектра. Фотоэлектрической чувствительностью называется отношение фототока насыщения к энергии падающего излучения. Зависимость этой величины от длины волны или частоты падающего излучения называется спектральной характеристикой. Иногда вместо фотоэлектрической чувствительности фотокатоды характеризуют величиной квантового выхода. Квантовый выход - это число электронов, покидающих поверхность катода, отнесенное к числу квантов света, падающих на катод. Для чистых металлов квантовый выход составляет 10^-3–10^-4электронов/квант, для сложных катодов – может доходить до 0.5.

3. Устройство и характеристики фотокатодов

Чистые металлы в качестве фотокатодов практически не применяются из-за малого квантового выхода, а также потому, что для них граничная частота лежит в ультрафиолетовой или крайней фиолетовой части спектра. В промышленных фотоэлектронных приборах применяются сложные полупроводниковые фотокатоды, наиболее распространёнными среда которых являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Рис.6.1. Структура кислородно-цезиевого фотокатода

Процесс изготовления кислородно-цезиевого катода происходит следующим образом. Слой серебра, нанесенный на стеклянную колбу фотоприбора, окисляется с помощью разряда в кислороде. Затем слойAg₂O обрабатывается парами цезия. Цезий восстанавливаетAg₂Oпричём образуется окись цезияCs₂O и в ней остаются вкрапленными атомы серебра. Кроме этого на поверхности фотокатода остаётся слой адсорбированных атомов цезия, часть из которых диффундирует внутрь полупроводникового слояCs₂O, образуя примесные атомыCs. В итоге структура катода принимает вид, изображённый на рис.6.1. В толще полупроводящего слояCs₂O располагаются атомыAgиCs, уровни которых располагаются в запрещённой зонеCs₂O. Фотоэлектронная эмиссия начинается вначале с уровнейCs, затемAg, а затем из валентной зоныCsO. Такой энергетический спектр кислородно-цезиевого фотокатода определяет наличие в спектральной характеристике фотокатода трёх максимумов. Работа выхода кислородно-цезиевого фотокатода составляет величину около 1эВ, квантовый выход достигает 0.03, интегральная чувствительность – 15-30мкА/лм.

Рис.6.2. Структура сурьмяно-цезиевого фотокатода

Технология изготовления сурьмяно-цезиевого фотокатода следующая. На стенку баллона фотоэлемента наносится слой сурьмы, который затем обрабатывается парами цезия. Получается электронный полупроводник, образованный слоемSbCs₂, в толщу которого внедрены атомы цезия, и покрытый адсорбированными атомамиCs₂. Структура катода принимает вид, изображённый на рис.6.2. Работа выхода сурьмяно-цезиевого фотокатода равна 1.9эВ, квантовый выход достигает 0.3, интегральная чувствительность – 70-100мкА/лм. Спектральные характеристики кислородно-цезиевого и сурьмяно-цезиевого катодов приведены на рис.6.3. При необходимости изменить спектральную характеристику в фотокатод вводятся дополнительные элементы: калий, натрий, рубидий или др.