,
равных ширине запрещенной зоны DE
(для прямых оптических переходов). При » DE
поглощения показатель
К
» 104
см
-1
и с увеличением (возрастает до 105
см
-1
.
Порог Ф. э. , где c – сродство к электрону
,
т. е. высота потенциального барьера для электронов проводимости (рис.
, б).
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
). Т. о., 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 Ф. э. 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,
Ф. э. 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 Ф. э. 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 .
Применение. Из-за больших DE
порог Ф. э. для щёлочно-галоидных кристаллов лежит в ультрафиолетовой области спектра, для которой они (в виде тонкой плёнки на проводящей подложке) являются хорошими фотокатодами
.
Для большинства технических применений важны также материалы, обладающие высоким Y
для видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых DE
и c.
Наиболее распространены (и технически хорошо освоены) в качестве фотокатодов полупроводниковые материалы
на основе элементов I и V групп периодической системы элементов, часто в сочетании с кислородом (Cs3
Sb, Na2
KSb и др.). У них DE
< 2 эв
, c < 2 эв
и Y
в видимой области спектра достигает величины ~ 0,1 электрон/фотон.
Усовершенствование техники очистки поверхностей полупроводников в сверхвысоком вакууме
позволило резко снизить полупроводников типа AIII
BV
и Si р
-типа до величины < DE
с одновременным созданием в тонком приповерхностном слое полупроводника сильного внутреннего электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны. При этом работа выхода < DE
, а высота поверхностного потенциального барьера (ниже уровня дна зоны проводимости в объёме кристалла. В результате обеспечивается выход в вакуум значительного числа термализованных (имеющих тепловые энергии) электронов из большой глубины порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда (~ 10-4
см
).
Фотокатоды такого типа называются фотокатодами с отрицательным электронным сродством (рис.
, б). Они обладают самым высоким квантовым выходом в ближней инфракрасной области спектра, достигающим 0,09 электрон/фотон при l
=
1,06 мкм.
Ф. э. широко используется для исследования энергетической структуры веществ, для химического анализа (фотоэлектронная спектроскопия
),
в измерительной аппаратуре, в звуковоспроизводящей киноаппаратуре и в приборах автоматики (фотоэлементы
, фотоэлектронные умножители
),
в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп
, суперортикон
),
в инфракрасной технике (электроннооптический преобразователь
) и в др. приборах, предназначенных для регистрации излучений рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов длин волн.
Лит.:
Соболева Н. А., Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973; Соболева Н. А., Новый класс электронных эмиттеров, «Успехи физических наук», 1973, т. Ill, в. 2, с. 331–53: Ненакаливаемые катоды, М., 1974.