Глава 3.2.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

1. Виды фотоэффекта. Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэлектронным прибором называют электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии оптического излу­чения в электрическую. Принцип действия этих приборов осно­ван на изменении электрических свойств веществ под действием падающего на них излучения, в частности видимого света. Фото­электронные приборы разделяют на электровакуумные и полу­проводниковые.

Влияние света на электрические свойства вещества носит на­звание фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фото­эффект.

Внешний фотоэффект — это фотоэлектронная эмиссия, т. е. испускание электронов с поверхности вещества под действием энергии падающего света; на этом основан принцип действия электровакуумных фотоэлектронных приборов — фотоэлементов и фотоумножителей.

Внутренний фотоэффект может быть двух видов: фоторезис- тивный эффект — уменьшение электрического сопротивления по­лупроводника под действием падающего света; фотогальвани- ческий эффект — возникновение на р-п переходе под действием падающего света разности потенциалов, называемой фото-э.д.с. На внутреннем фотоэффекте основан принцип действия полу­проводниковых фотоэлектронных приборов.

Фотоэффект объясняется изменением энергетического состоя­ния свободных электронов в металле, а также атомов в кристал­ле полупроводника при поглощении энергии излучений. Энергия оптического излучения выделяется и поглощается квантами — фотонами, а распространяется волнами, как электромагнитные колебания. При поглощении фотонов валентными электронами один электрон может поглотить только один фотон. За счет этого его энергия скачком увеличивается.

Принцип действия электровакуумных фотоэлектронных прибо­ров основан, как было сказано, на фотоэлектронной эмиссии.

Для выхода электрона из фотокатода в вакуум необходимо, чтобы электрон, имевший внутри катода максимальную энергию

Wi, поглотил энергию фотона не меньшую, чем работа выхода электрона для данного вещества. Согласно квантовой теории, энергия кванта, в данном случае фотона, прямо пропорциональна частоте излучения:

W_KB = /iv,

где v — частота излучения; h — постоянная Планка; h — 6,62 X X 10^-34 Дж • с.

Частота v обратно пропорциональна длине волны излуче­ния X:

^v=-b

Энергия фотона может быть выражена через длину волны излучения:

W = —

^кв к ’

где с — скорость света; с — 3 • 10⁸ м/с.

Например, коротковолновое излучение, соответствующее фио­летовым лучам видимого спектра с длиной волны Я = 0,38 мкм, несет энергию фотона 3,25 эВ, а длинноволновые красные лучи с X = 0,76 мкм — энергию фотона 1,6 эВ.

Минимальная частота vo, при которой возможна фотоэлект­ронная эмиссия, называется порогом фотоэлектронной эмиссии. Ей соответствует длина волны Х₀. Ее величину для данного ве­щества можно найти из условия равенства энергии фотона и ра­боты выхода:

Подставив сюда значения Wo = eq>₀; W_KB = hv₀ и Х₀=— ,

^кв = W₀.

Vo тавив сюда значе]

получим

hv о — £фо,

откуда

ец) о . he

Vo =—т— и Ло = ,

h ец>о

где h_y с и е (заряд электрона) — постоянные; фо — работа вы­хода в электрон-вольтах, зависящая от материала фотокатода.

Для получения фотоэлектронной эмиссии в более широкой области видимой части спектра необходимы фотокатоды с малой работой выхода.