Вопросы

Основные закономерности эмиссии состоят в следующем:

1) количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения;

2) для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре Т ® 0 К существует порог — минимальная частота w0 (или максимальная длина волны l0) излучения, за которой Ф. э. не возникает;

3) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности.

Фотоэлектронная эмиссия — результат 3 последовательных процессов: п поглощения фотона и появления электрона с высокой (по сравнению со средней) энергией;

движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться;

выхода электрона в др. среду через поверхность раздела.

Количественной характеристикой является квантовый выход Y — число вылетевших электронов, приходящееся на 1 фотон излучения, падающего на поверхность тела. Величина Y зависит от свойств тела, состояния его поверхности и энергии фотонов.

Фотоэлектронная эмиссия из металлов возникает, если энергия фотона (- постоянная Планка, w — частота излучения) превышает работу выхода металла еj. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2 эВ (а для большинства из них > 3 эВ), поэтому фотоэлектронная эмиссия из металлов (если работа выхода не снижена специальным покрытием поверхности) может наблюдаться в видимой и ультрафиолетовой (для щелочных металлов и бария) или только в ультрафиолетовой (для всех др. металлов) областях спектра. Вблизи порога фотоэлектронная эмиссия для большинства металлов Y ~ 10−4 электрон/фотон. Малая величина Y обусловлена тем, что поверхности металлов сильно отражают видимое и ближнее ультрафиолетовое излучение (коэффициент отражения R > 90%), так что в металл проникает лишь малая доля падающего на него излучения. Кроме того, фотоэлектроны при движении к поверхности сильно взаимодействуют с электронами проводимости, которых в металле много (~ 1022 см-3), и быстро рассеивают энергию, полученную от излучения. Энергию, достаточную для совершения работы выхода, сохраняют только те фотоэлектроны, которые образовались вблизи поверхности на глубине, не превышающей несколько нм. Менее «энергичные» фотоэлектроны могут пройти без потерь энергии в десятки раз больший путь в металле, но их энергия недостаточна для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум.

С увеличением энергии фотонов Y металлов возрастает сначала медленно. При = 12 эВ Y чистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, для Bi — 0,015 электрон/фотон. При > 15 эВ сопротивление резко падает (до 5%), a Y увеличивается и у некоторых металлов (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) достигает 0,1−0,2 электрон/фотон.

В полупроводниках и диэлектриках сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов, равных ширине запрещенной зоны DE (для прямых оптических переходов). При «DE показатель поглощения К «104 см-1 и с увеличением (возрастает до 105 см-1. Порог Ф. э., где c — высота потенциального барьера для электронов проводимости.

В несильно легированных полупроводниках электронов проводимости мало, поэтому здесь, в отличие от металлов, рассеяние энергии фотоэлектронов на электронах проводимости роли не играет. В этих материалах фотоэлектрон теряет энергию при взаимодействии с электронами валентной зоны (ударная ионизация) или с тепловыми колебаниями кристаллической решётки (рождение фононов). Скорость рассеяния энергии и глубина, из которой фотоэлектроны могут выйти в вакуум, зависят от величины c и от соотношения c и DE. Если c > 2 DE, то фотоэлектрон с начальной кинетической энергией ³ c рождает электронно-дырочную пару. Длина пробега на рассеяние энергии в таком акте (1−2 нм) во много раз меньше глубины проникновения излучения в кристалл (0,1−1 мкм). Таким образом, в этом случае подавляющая часть фотоэлектронов по пути к поверхности теряет энергию и не выходит в вакуум. Такая картина имеет место в Si (DE = 1,1 эв, c = 4,05 эв); в Ge (DE = 0,7 эв, c = 4,2 эе); в GaAs (DE = 1,4 эв, c = 4,07 эв) и др.

полупроводниках. В этих материалах вблизи порога фотоэлектронная эмиссия Y ~ 10 -6 электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при = + 1 эв) всё ещё не превышает 10−4 электрон/фотон. Если c < DE, но больше энергии оптического фонона (10−2 эв), то фотоэлектроны теряют энергию при рождении оптических фононов. При таком механизме потерь энергия фотоэлектронов рассеивается в полупроводниках на длине пробега всего 10−30 нм. Поэтому, если снизить (полупроводника, например от 4 до 1 эв, фотоэлектронная эмиссия вблизи порога остаётся малой. В кристаллах щёлочно-галоидных соединений длина пробега больше 50−100 нм, невелико, поэтому Y таких кристаллов резко возрастает от самого порога фотоэлектронная эмиссия и достигает высоких значений. Так, в CsJ DE = 6,4 эв, c = 0,1 эв и уже при = 7 эв (т. е.

всего на 0,6 эв от порога), Y = 0,1 электрон/фотон и практически не изменяется при увеличении .

Заключение

Изменение электропроводности полупроводников под влиянием температуры позволило применять их в приборах, работа которых основана на использовании этого свойства. Полупроводники используют в качестве термометров для замера температур окружающей среды. Они более чувствительны, чем термометры сопротивления, изготовляемые из металла под названием болометров и применяемые в лабораторной практике для измерения очень высоких или самых низких температур. О температуре судят, замеряя электрическое сопротивление болометра. Но точность измерения с помощью этих приборов невелика, так как металлы изменяют своё сопротивление всего на 0,3% на каждый градус. Иное положение имеет место при использовании полупроводников. У некоторых полупроводников повышение температуры на 1 °C увеличивает электропроводность на 3−6%, повышение температуры на 10° - примерно на 75%, а повышение температуры на 100 °C увеличивает электропроводность в 50 раз. Благодаря высокому удельному сопротивлению полупроводников их применяют в качестве чувствительных термометров при дистанционных измерениях.

Фотосопротивления широко применяют для сигнализации и автоматики, управления на расстоянии производственными процессами, сортировки изделий. С их помощью предупреждают несчастные случаи и аварии при нарушении хода процесса, автоматически останавливая машины.

Фотоэлектрическое устройство приходит в действие от появления или исчезновения лучей на фотосопротивлении или резкого изменения их интенсивности, например, при появлении пламени, наступлении темноты, прерывания луча.

Список литературы

Бедной И.Г., Мюллер К. А., Заварицкий Н. В. Открытие высоко-температурной сверхпроводимости. М.: Знание, 1989. 64 с. (Сер. Физика № 1).

Киреев П. С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1969. 589 с.

Полупроводниковые приборы. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985. 743 с.

Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 3. М.: Наука, 1987. 305 с.

Смит Р. Полупроводники / Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 558 с.