Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект)

Общая классификация явлений эмиссии

Другие виды электронной и ионной эмиссии

Как уже говорилось в §2, если вне тела нет силовых полей, то потенциальная энергия U(x) электрона во всем пространстве одинакова и обычно принимается равной нулю (“уровень вакуума”). При этом и полная энергия покоящегося вне тела электрона также равна нулю. Если электрон вне тела движется, то его полная энергия при этом может быть только положительной. Таким образом, в отсутствие силовых полей вне тела ³ 0. Внутри тела возможны состояния электронов с энергиями как положительными, так и отрицательными (при отсчете энергии от уровня вакуума),

В основном невозбужденном состоянии системы электронов тела (Т =0), как указано в § 1, электроны занимают наиболее низкие энергетические уровни с энергиями от дна зоны проводимости вплоть до уровня ()max, равного ,причем < 0 (при отсчете энергии от уровня вакуума см. рис. 10.1). Но тогда также и < 0. Электроны, находящиеся в этих состояниях, не могут выходить из тела. Следовательно, эмиссия электронов в пространство, где U(x) = 0, при Т = 0 невозможна. Для того чтобы некоторые из электронов тела могли выходить из него и участвовать в электронной эмиссии в этих условиях, их необходимо предварительно возбудить, т. е. сообщить им тем или иным способом дополнительную энергию Dтакую, чтобы их энергия в возбужденном состоянии ,равная + D,стала положительной (рис. 10.1, переход 2). Этот класс эмиссии мы будем называть эмиссией с предварительным возбуждением электронов эмиттера. Существуют разные виды эмиссии с предварительным возбуждением. Эти виды эмиссии различаются по природе источника энергии возбуждения электронов. Энергия возбужденных электронов может в некоторых случаях черпаться и от нескольких источников (т. е. возбуждение электронов может происходить за счет нескольких различных механизмов).

Рис. 10.1

Возможна также эмиссия электронов и без предварительного возбуждения. Такой тип эмиссии мы уже изучали. Действительно, если вне тела вблизи его поверхности имеется силовое электрическое поле, тянущее электроны от границы тела, то потенциальная энергия электрона в этом поле будет убывать с расстоянием от поверхности. Эмиссия электрона при этом не требует предварительного возбуждения его, а осуществляется туннельным переходом. Аналогичная ситуация имеет место, если вблизи поверхности тела находится положительный ион, создающий кулоновскую потенциальную яму в эту яму электроны тела могут переходить также путем туннельного эффекта. Этот класс эмиссии будем называть эмиссией без предварительного возбуждения.

Возможна и комбинированная эмиссия, при которой действуют оба указанных выше механизма.

По способности проводить электрический ток издавна все вещества было принято делить на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). По современным представлениям, электроны в твердых телах располагаются в так называемых энергетических зонах, которые отделены друг от друга «энергетическими щелями». Если среди зон есть частично заполненные, то это — металл, хороший проводник электрического тока. Если же некоторые зоны заполнены, а другие — пустые, то это — изолятор, ибо электроны заполненных зон не участвуют в электропроводности.

 

У полупроводников энергетическая щель между самой высокой из заполненных зон (валентной) и самой низкой из незаполненных (проводимости)— мала. Поэтому небольшого повышения температуры достаточно, чтобы перенести электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом обе они оказываются частично заполненными, и полупроводник становится проводником электрического тока. Электропроводность может быть существенно повышена добавкой различных примесей.

Но возникает вопрос — а есть ли вещества, занимающие промежуточное положение между металлами и полупроводниками, то есть такие, у которых энергетическая щель равна нулю и в то же время нет частично заполненных зон? Впервые утвердительный ответ дали советские физики. В тридцатые годы молодые теоретики С. Вонсовский и С. Шубин продемонстрировали это с помощью простой модели, а в 1955 году И. Цидильковским было обнаружено первое вещество такого типа — теллурид ртути. В последующие годы найден целый ряд бесщелевых проводников (так стали называть новые вещества) и началось их интенсивное изучение.

 

Оказалось, что бесщелевые полупроводники обладают свойствами, отличающими их от металлов, полупроводников или изоляторов. Прежде всего тут значительную роль играет взаимодействие электронов. Их свойства при низких температурах оказались не в ладу с обычной теорией, и пришлось применить совсем новые методы для характеристики этих объемов.

Еще одна особенность — электроны в таких полупроводниках легко отбирают энергию от внешнего источника и «нагреваются». При этом меняется распределение электронов в веществе. В результате ток растет с увеличением электрического поля значительно быстрее, чем следует из закона Ома. Кроме того, электроны в таких полупроводниках в тысячи раз подвижней, чем в кремнии — наиболее популярном в настоящее время полупроводнике. А это определяет чувствительность и рабочие параметры электронных устройств.

 

Необычно ведут себя в этих полупроводниках и примеси. Некоторые из них уже при очень малой концентрации приводят к образованию дополнительных, так называемых примесных зон. Это создает очень своеобразную зависимость электропроводности от нагревания: при повышении температуры она сначала увеличивается, затем падает, а потом опять возрастает. Бесщелевые полупроводники демонстрируют также ряд удивительных свойств в магнитном поле и в инфракрасном излучении.

 

К полупроводникам такого рода примыкают вещества, у которых в обычном состоянии есть энергетическая щель. Однако ее можно «закрыть» путем внешнего воздействия. Это достигается изменением состава, как, например, в соединениях висмута с сурьмой, а также сжатием или приложением магнитного поля. В таких случаях говорят о бесщелевом состоянии.

 

Исследование веществ с малыми энергетическими щелями дало возможность обнаружить еще целый ряд новых состояний — так называемые экситонные фазы. Если из валентной зоны перевести один электрон в зону проводимости, то пустое место — «дырка» — в валентной зоне подобно положительному заряду. Вместе с электроном она может образовать заряженный комплекс — экситон, напоминающий атом водорода. При уменьшении энергетической щели могут создаться условия, когда экситоны начнут образовываться самопроизвольно — вещество переходит в экситонную фазу.

 

Исследования советских физиков показали, что в природе есть целый ряд веществ с необычными свойствами, которые можно объяснить, рассматривая их как экситонные фазы. Это так называемые полуметаллы — металлы с очень малым числом носителей тока и очень своеобразной кристаллической структурой и, по-видимому, ряд ферромагнетиков.

 

Однако было интересно убедиться не только в том, что экситонные фазы могут существовать, но и проследить переход в такое состояние. Теоретическая догадка получила экспериментальное подтверждение. Эти фазы были обнаружены у сплавов висмута с сурьмой при комбинированном воздействии сильных магнитных полей, давления и низких температур.

 

Эти исследования не только обогатили и расширили представления об энергетической структуре твердых тел, и указали новые пути получения материалов, которые будут иметь значительные и, возможно, весьма необычные с точки зрения сегодняшнего дня технические применения.

 

При освещении металла с его поверхности вырываются электроны. Это явление называют фотоэффектом. (В широком смысле фотоэффектом является и тот факт, что под влиянием освещения изменяется сопротивление некоторых материалов, а также то, что в некоторых случаях в результате воздействия света возникает напряжение. Эти явления мы рассматривать здесь не будем)

Наиболее важные экспериментальные данные, относящиеся к этому явлению, заключаются в следующем. Проведем измерения с помощью устройства, представленного на рис. 10.2. Изменим напряжение между электродами и измерим ток, обусловленный фотоэффектом. Результат этого измерения можно представить в виде кривых на рис. 10.3 (каждая кривая соответствует различной интенсивности света). Частота света при измерениях была постоянной. Как видно, Ur может задерживать наиболее быстрые из вылетающих электронов; следовательно, замедляющее напряжение не зависит от интенсивности света. Это означает, что максимально достижимая энергия освобождающихся электронов не зависит от интенсивности света.

Рис. 10.2. Трубки для изучения фотоэффекта. 1 – кварцевое окно Рис. 10.3. Зависимость тока фотоэлемента от интенсивности падающего света

Если вышеупомянутый опыт повторить таким образом, чтобы интенсивность света оставалась постоянной в течение всего измерения, а частота при снятии различных кривых изменялась, то получим кривые, представленные на рис. 10.4. Из рисунка ясно, что величина Ur и максимальная энергия эмиттируемых электронов зависят от частоты облучающего света. Если количественно оценить этот эффект, то обнаружим, что максимальная энергия является линейной функцией частоты.

Рис. 10.4. Зависимость тока фотоэлемента от частоты падающего света Рис. 10.5. Зависимость светочувствительности щелочных металлов от длины волны света

Фотоэлектронный ток, как видно из первой диаграммы (рис. 10.3) зависит от интенсивности светя. В результате измерения тока насыщения (на горизонтальных участках кривой) эта зависимость тоже оказывается линейной. Упомянутые характеристики в широких пределах не зависят от температуры. Под воздействием освещения электроны эмиттируются немедленно. Согласно измерениям задержка между освещением и эмиссией электронов меньше 3 × 10–9с.

Светочувствительность определяют с помощью соотношения

Согласно измерениям определенная таким образом светочувствительность зависит от длины волны (частоты) света. Экспериментальные кривые для щелочных (металлов приведены на рис. 10.5.)

Фотоэффект имеет основополагающее, принципиальное значение: квантовая теория света проявилась здесь наиболее явным образом. Историческое объяснение этого явления принадлежит Эйнштейну, который использовал квантовую гипотезу Планка. Фотоны проникают в вещество и передают свою энергию электронам. Последние используют часть полученной энергии для совершения работы выхода , остальное остается в качестве кинетической энергии электронов. В соответствии с этим

. (10.1)

Если теперь, как указывалось выше, на электроны будет действовать задерживающее напряжение, то для запирающего напряжения справедливо уравнение

,(10.2)

где - заряд электрона, а -максимальная энергия эмиттированных электронов.

Это было экспериментально проверено Милликеном, получившим прямую, соответствующую уравнению (10.2) (см. рис. 10.6). Если подставить в уравнение (10.2) = 0, то получим наименьшее значение частоты, при котором электроны еще могут выйти из металла. Как видно из графика, эта величина равна

, (10.3)

где – так называемая граничная частота (красная граница фотоэффекта). Соответствующая ей длина волны

Это измерение можно провести очень легко и просто. Зная ,получают одновременно угол наклона экспериментальных прямых и численное значение константы h.

Рис. 10.6. График, поясняющий метод определения постоянной Планка (здесь в уравнениях (10.1)–( 10.3) Ur и WW – положительные величины)