16. Принцип действия приемников оптического излучения на внешнем фотоэффекте.

Внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией называют испускание электронов с поверхности фото­чувствительного слоя в вакуум или в другое вещество под дей­ствием падающего потока излучения.

В ПИ, основанных на внешнем фотоэффекте, поток электронов (называемых фотоэлектронами), эмиттируемых под дей­ствием падающего излучения одним из электродов (фотокатодом) в вакуум (или газ), ускоряется за счет постоянного внешнего напряжения и улавливается другим электродом (ано­дом), образуя во внешней цепи электрический ток, который на­зывают фототоком.

В качестве фотокатодов используют некоторые чистые и слож­ные металлы и полупроводники, фотоэлектронную эмиссию кото­рых можно представить следующими процессами: поглощением фотона и передачей его энергии электрону, диффузией (перемеще­нием) возбужденного электрона к поверхности фотокатода и про­хождением его в вакуум через поверхностный потенциальный барьер (электрическое поле, действующее в узкой области вблизи поверхности фотокатода, удерживающее электроны внутри ве­щества). Энергию, которую необходимо сообщить электрону Для преодоления поверхностного потенциального барьера, называют работой выхода. Для внешнего фотоэффекта известны следующие основные законы.

1. Значение фототока (число фотоэлектронов, вырываемых из фотокатода в единицу времени) в режиме насыщения (все выле­тевшие из фотокатода электроны собираются на анод, и фототок не зависит от напряжения питания) прямо пропорционально потоку излучения, поглощенного фотокатодом, при неизменном спектральном составе падающего потока излучения (закон Сто­летова):

где — фототок, А; Ф — поглощенный поток, Вт (лм); — интегральная чувствительность фотокатода, А/В.

2. Максимальная энергия выбиваемых фотоэлектронов про­порциональна частоте v падающего на фотокатод излучения и не зависит от потока излучения (закон Эйнштейна — закон сохра­нения энергии при фотоэлектронной эмиссии).

Если электрон в веществе после взаимодействия с упавшим фотоном с энергией hv вышел в вакуум с кинетической энергией (/ш^а/2)тах, совершив фотоэлектронную работу выхода Еф, то закон Эйнштейна можно записать в виде

где т и v — масса и скорость фотоэлектрона.

Для каждого вещества существует длинноволновая граница внешнего фотоэффекта, называемая краен о,й границей, так как энергия падающих фотонов hv уменьшается с увеличением длины волны и уменьшением частоты. Пороговая частота фото­эффекта v_rp соответствует энергии падающих фотонов, при кото­рой даже максимальная энергия фотоэлектронов (mv²/2)_max равна нулю: , откуда

где граничная длина волны (мкм) при измерении Е_ф в эВ; с — скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме.

Время запаздывания между поглощением кванта и появлением фотоэлектрона меньше 10^-12 с, что позволяет на основе внешнего фотоэффекта создавать быстродействующие приемники излучения.