Фотоэлектронная эмиссия. 
Электроника. 
Часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Фотоэлектронная эмиссия или внешний фотоэффект — это явление испускания электронов под действием квантов электромагнитного излучения.

Фотоэлектронная эмиссия была открыта в 1887 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. В 1888 году русский ученый Александр Григорьевич Столетов, активно исследовавший явление фотоэффекта, установил пропорциональность тока фотоэлектронной эмиссии интенсивности светового потока.

Закон Столетова гласит: при неизменном спектральном составе излучения сила тока фотоэмиссии (т. е. количество эмитируемых в единицу времени электронов) пропорциональна интенсивности падающего излучения.

В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн установил закон сохранения энергии для фотоэлектронов в виде:

где И — постоянная Планка, <�р — работа выхода электронов, Е.—~ — максимальная кинетическая энергия эмитированных электронов. Из этого соотношения следует, что максимальная кинетическая энергия эмитируемых электронов не зависит от интенсивности излучения при неизменном спектральном составе излучения и линейно возрастает с его частотой.

Если кинетическая энергия эмитированных электронов близка к нулевому значению, то значение частоты v = v₀ называется пороговой, а соответствующая ей длина волны излучения о— красной или длинноволновой границей внешнего фотоэффекта.

Энергию кванта электромагнитного излучения (фотона) удобно выражать во внесистемных единицах (электронвольтах и микронах):

Рис. 3.3. Метод «прямых Ричардсона»: теоретическая прямая и экспериментапьные точки иллюстрируют зависимость lg (/ / П от 5040 / Т.

Из выражения (3.5) видно, что при предельном условии v_max = 0:

где — длинноволновая граница фотоэффекта; <�р — работа выхода фотокатода.

В металлах положение уровня Ферми, определяющее работу выхода, совпадает с наивысшим заполненным уровнем, с которого и происходит фотоэмиссия.

В 1931 году английский физик Ральф Говард Фаулер построил полуфеноменологическую теорию фотоэмиссии металлов. В основе этой теории лежит предположение, что у электронов, поглотивших энергию фотона, энергия увеличивается, что эквивалентно понижению высоты поверхностного потенциального барьера. Проведя выкладки в том же порядке, как и при выводе уравнения Ричардсона для термоэлектронной эмиссии, можно получить выражение для плотности тока фотоэмиссии:

где v₀— пороговая частота, к— постоянная Больцмана, И— постоянная Планка, а

Величины А, г и Т соответствуют значениям величин в формуле Ричардсона — Дешмана. Заметим, что при v * v₀ значение/Д) = я /12.

В полупроводниках уровень Ферми находится в запрещенной зоне, а наивысший заполненный уровень, с которого происходит фотоэмиссия электронов, соответствует верхней границе валентной зоны ?,-. Порог фотоэффекта или минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы перевести его на уровень вакуума, соответствует энергии от потолка валентной зоны до уровня вакуума. Другими словами, порог фотоэффекта полупроводников равен сумме ширины запрещенной зоны ?_<; и энергии электронного сродства Е_а:

Работа выхода электронов из полупроводников равна разности энергетических уровней от вакуума до уровня Ферми ф = ?₀ — ?>.

На рис. 3.4 представлены энергетические диаграммы собственного полупроводника (i), а также полупроводника с электронной (п) и дырочной (р) проводимостью.

Фотоэмиссия из металлов связана с поглощением фотонов электронами проводимости. Фотоэлектронная эмиссия полупроводников определяется процессами возбуждения электронов из валентной зоны, либо с уровней, связанных с донорной или акцепторной примесями.

Фотоэлектронную эмиссию можно интерпретировать как результат трех последовательных процессов. На первой стадии поглощается фотон и появляется возбужденный электрон с энергией выше средней. На второй стадии возбужденный электрон движется к поверхности, рассеивая часть энергии на других электронах, на дефектах кристаллической решетки, а также на фононах. На третьей стадии электрон преодолевает потенциальный барьер на границе раздела.

Рис. 3.4. Энергетические диаграммы полупроводника с собственной, электронной и дырочной проводимостью.

Важной количественной характеристикой фотоэлектронной эмиссии является квантовый выход 4 или число эмитированных электронов, приходящихся на один фотон, падающий на поверхность. Квантовый выход электронов из металлов в видимой и ближней УФ-области спектра составляет? = 10‘³ электрон/фотон.

Для полупроводников величина ?, главным образом, определяется процессами рассеяния энергии электронов при их движении к границе раздела, а также начальной энергией фотонов. Эффективные фотокатоды имеют квантовый выход 4²¹0,1 электрон/фотон.

При большой интенсивности падающего излучения возникает многофотонная фотоэлектронная эмиссия. Она связана с одновременным поглощением электроном двух и более фотонов.

Эмитированные в результате фотоэффекта электроны несут в себе информацию об энергии и спине электрона в твердом теле. Эта информация позволяет определить электронную структуру твердых тел, состояние их поверхности, направленность валентных связей, время жизни возбужденных электронов и дырок, квантовый выход и другие параметры твердого тела.