Страница:
Космическая съёмка
.
Л. М. Гольдман.
работы выхода
)
и его кинетическая энергии равна энергии падающего фотона
hn (
h –
Планка постоянная,n – частота падающего излучения). По спектру электронов можно определить энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом веществе.
Л. М. Гольдман.
работы выхода
)
и его кинетическая энергии равна энергии падающего фотона
hn (
h –
Планка постоянная,n – частота падающего излучения). По спектру электронов можно определить энергии связи электронов и их уровни энергии в исследуемом веществе.
В Ф. с. применяются монохроматическое рентгеновское или ультрафиолетовое излучения с энергией фотонов от десятков тысяч до десятков
эв(что соответствует длинам волн излучения от десятых долей
до сотен
). Спектр фотоэлектронов исследуют при помощи электронных спектрометров высокого разрешения (достигнуто разрешение до десятых долей
эвв рентгеновской области и до сотых долей
эв вультрафиолетовой области).
Метод Ф. с. применим к веществу в газообразном, жидком и твёрдом состояниях и позволяет исследовать как внешние, так и внутренние электронные оболочки атомов и молекул, уровни энергии электронов в твёрдом теле (в частности, распределение электронов в зоне проводимости). Для молекул энергии связи электронов во внутренних оболочках образующих их атомов зависят от типа химической связи (химические сдвиги), поэтому Ф. с. успешно применяется в аналитической химии для определения состава вещества и в физической химии для исследования химической связи. В химии метод Ф. с. известен под название ЭСХА – электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA – electronic spectroscopy for chemical analysis).
Лит.:Вилесов Ф. И., Курбатов Б. Л., Теренин А. Н., «Докл. АН СССР», 1961, т. 138, с. 1329–32; Электронная спектроскопия, пер. с англ., М., 1971.
М. А. Ельяшевич.
Планка постоянная,w – частота излучения) превышает
работу выхода
металла
еj. Последняя для чистых поверхностей металлов > 2
эв(а для большинства из них > 3
эв), поэтому Ф. э. 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 Ф. э. для большинства металлов
Y~ 10
-4электрон/фотон. Малая величина
Yобусловлена 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 (~ 10
22
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(
рис.
, а)
.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
Yметаллов возрастает сначала медленно. При
=
12
эв Yчистых металлических плёнок (полученных испарением металла в высоком вакууме) составляет для Al 0,04, для Bi – 0,015 электрон/фотон. При
> 15
эв
Rрезко падает (до 5%), a
Yувеличивается и у некоторых металлов (Pt, W, Sn, Ta, In, Be, Bi) достигает 0,1–0,2 электрон/фотон. Случайные загрязнения могут сильно снизить j, вследствие чего порог Ф. э. сдвигается в сторону более длинных волн, и
Yв этой области может сильно возрасти. Резкого увеличения
Yи сдвига порога Ф. э. металлов в видимую область спектра достигают, покрывая чистую поверхность металла моноатомным слоем электроположительных (см.
Ионизация
) атомов или молекул (Cs, Rb, Cs
2O), образующих на поверхности дипольный электрический слой. Например, слой Cs снижает (и соответственно сдвигает порог Ф. э.: для W – от 5,05 до 1,7
эв, для Ag – от 4,62 до 1,65
эв,для Cu – от 4,52 до 1,55
эв,для Ni – от 4,74 до 1,42
эв.
Ф. э. из полупроводников и диэлектриков. В
полупроводниках
и
диэлектриках
сильное поглощение электромагнитного излучения начинается от энергий фотонов
,равных ширине запрещенной зоны D
E(для прямых оптических переходов). При
» D
E
поглощения показательК» 10
4
см
-1и с увеличением (возрастает до 10
5
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 D
E. Если c > 2 D
E, 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 (D
E= 1,1
эв,c = 4,05
эв)
;в Ge (D
E= 0,7
эв,c = 4,2 эе); в GaAs (D
E= 1,4
эв,c = 4,07
эв) и др. полупроводниках. В этих материалах вблизи порога Ф. э. Y ~ 10
-6электрон/фотон и даже на относительно большом расстоянии от порога (при
=
+ 1
эв)
всё ещё не превышает 10
-4электрон/фотон. Если c < D
E, 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
Yтаких кристаллов резко возрастает от самого порога Ф. э. и достигает высоких значений. Так, в CsJ D
E= 6,4
эв,c = 0,1
эви уже при
= 7
эв(т. е. всего на 0,6
эвот порога),
Y =0,1 электрон/фотон и практически не изменяется при увеличении
.
Применение. Из-за больших D
Eпорог 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
Yдля видимого и ближнего инфракрасного излучений при малых D
Eи 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 (Cs
3Sb, Na
2KSb и др.). У них D
E< 2
эв, c < 2
эви
Yв видимой области спектра достигает величины ~ 0,1 электрон/фотон.
Усовершенствование техники очистки поверхностей полупроводников в
сверхвысоком вакууме
позволило резко снизить
полупроводников типа A
IIIB
Vи Si
р-типа до величины
< D
Eс одновременным созданием в тонком приповерхностном слое полупроводника сильного внутреннего электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны. При этом работа выхода
< D
E, 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.
Г. М. Лифшиц.
Энергетические схемы фотоэлектронной эмиссии из металла (а); полупроводника
с c > 2DE (б); полупроводника с поверхностью, обработанной до «отрицательного» электронного сродства (ej < DE) (в). В области сильного внутреннего электрического поля энергетические зоны изогнуты; клеточки показывают заполненные электронные состояния; жирная черта — дно зоны проводимости; j — поверхностный потенциальный барьер.
электровакуумный прибор,в котором поток электронов, эмитируемый
фотокатодом
под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате
вторичной электронной эмиссии;ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10
5раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А.
Кубецким
в 1930–34.
Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление электронного потока осуществляется при помощи системы дискретных динодов – электродов корытообразной, коробчатой или жалюзийной формы с линейным (см.
рис.
) либо (реже) круговым расположением, обладающих коэффициентом вторичной эмиссии s > 1. В таких ФЭУ для ускорения и фокусировки электронов катодной камере (собирающей электроны, вылетевшие с фотокатода, в пучок и направляющей этот пучок на вход динодной системы), динодам и аноду сообщают определенные потенциалы относительно фотокатода при помощи высоковольтного источника (напряжением 600–3000
в). Кроме электростатической фокусировки, в ФЭУ иногда применяют магнитную фокусировку и фокусировку в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Существуют также ФЭУ с умножительной системой, представляющей собой непрерывный (распределённый) динод – одноканальный, в виде трубки (канала) с активным (s > 1) слоем на её внутренней поверхности, обладающим распределённым электрическим сопротивлением, либо многоканальный, выполненный из т. н. микроканальной пластины. При подключении канала к источнику высокого напряжения в нём создаётся электрическое поле, ускоряющее вторичные электроны, которые многократно соударяются с внутренними стенками канала, вызывая при каждом столкновении вторичную электронную эмиссию с поверхности активного слоя.
Фотокатоды ФЭУ выполняют из полупроводников на основе соединений элементов I или III группы периодической системы Менделеева с элементами V группы (Css Sb, GaAs и др.). Полупрозрачные фотокатоды обычно наносят на внутреннюю поверхность входного окна стеклянного баллона ФЭУ. Для изготовления дискретных динодов используют следующие материалы: Cs
3Sb, наносимый в виде слоя на металлическую подложку; сплавы CuBe, CuAlMg; эпитаксиальные слои GaP на Mo, обработанные O
2(см.
Эпитаксия
) и др. Каналы непрерывных динодов изготавливают из стекла с высоким содержанием свинца (такие каналы после термообработки в H
2имеют удельное сопротивление поверхностного слоя 10
7–0
10
омЧ
м)
.
Основные параметры ФЭУ: световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1–10
4
а/лм;спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10
3–10
8); темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10
-9–10
-10
а.
Наибольшее применение ФЭУ получили в ядерной физике (спектрометрические ФЭУ; см.
Сцинтилляционный счётчик
)
и в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ). ФЭУ используют также в оптической аппаратуре, устройствах телевизионной и лазерной техники.
В 60-х гг. разработаны ФЭУ, в которых усиление фототока осуществляется бомбардировкой полупроводникового кристалла с
электронно-дырочным переходом
электронами с энергиями, достаточными для образования в кристалле парных зарядов электрон – дырка (такие ФЭУ называются гибридными).
Лит.:Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, М., 1976.
В. А. Гаванин.
Структурные схемы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с линейными динодными системами: а — с корытообразными динодами; б — с жалюзийными динодами; Ф — световой поток; К — фотокатод; В — фокусирующие электроды катодной (входной) камеры; Э — диноды; А — анод; штрихпунктирными линиями изображены траектории электронов.