14光电子发射效应.docx

1、14光电子发射效应1.4 光电子发射效应光电子发射效应：金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大可以使电子从材料表面逸出，此现象叫光电子发射效应。发射出来的电子称为光电子，可以发射光电子的物体称为光电发射体。光电子形成的电流即为光电流。1、光电发射的基本定律光电发射定律的依据：爱因斯坦的光量子理论返回h 光辐射具有粒子性，每个光子的能量是 。只要光子能量足够大，一个光子可以激发一个电子从发射体逸出。 光辐射的强度越大，光子数越多，激发的电子数也越多。因此 光电流与入射光强成正比。1入射光频率越高，光子能量越大，电子吸收光子能量后，除了付出为逸出表面所需要的逸出功外，留下的动能越大。由此得出光电

2、发射的基本定律（1） 斯托列托夫定律（光电发射第一定律）当入射光的频率成分不变时，饱和光电流与入射的光辐射强度成正比。链接（2）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）光电发射体发射的光电子的最大动能随入射光频率的增大而线性增加，与入射光强无关。即爱因斯坦方程12mv2 = hmaxEwm：光电子质量，vmax ：出射光电子的初始速度，Ew：逸出功。2（）光电发射的红限上式中，令vmax= 0，得Ew 1 24hc .o = 或 ( )o = = mh E E (eV )w wo、 称为红阈波长和红阈频率。此时，光电子刚能从阴极逸出oa、金属金属中自由电子的能量服从费米分布，电子主要占据费米能级以下的

3、能量状态。金属逸出功：电子从金属中逸出需要的最小能量。Ew = Eo EF表面势垒的高度Eo： 真空中电子的最低能量状态。红阈频率o =Ewh3T 0K，EF之上有少量电子，忽略。爱因斯坦定律在T = 0K时正确，在T 0K近似成立。b、半导体电子亲和力: 导带底上的电子向真空逸出时所需的最小能量。EA = Eo Ec半导体光电子发射的逸出功本征发射 Ew = Eg + EA = Eth 光电子发射的能量阈值杂质发射 n型 Ew = Ed + EAp型 Ew = Eg + EA - EaEo =w红阈频率 h4、光电子发射的过程光电发射是一种体效应，其过程分三个步骤：第一步：体内电子吸收光子能

4、量被激发跃迁到高能级；第二步：被激发的电子向表面运动，运动过程中会与其它电子或晶格碰撞，失去部分能量；第三步：克服表面势垒的束缚逸出表面。表面势垒的产生：金属中存在大量自由电子。在通常条件下，可能会有一部分电子克服原子核的库仑力作用逸出表面。但这些逸出电子对金属有感应作用，使金属中的电荷重新分布，在表面出现与电子等量的正电荷。逸出电子受到这种正电荷作用，动能减小，不能远离金属。在金属表面形成偶电层，阻碍电子向外逸出，即表面势垒。在半导体中，表面势垒是由于半导体缺陷和表面晶格不连续产5生的，与电子亲和力有关。、光电阴极应用中，光电发射体作为阴极，根据照射光的入射方向不同可以分为反射式和透射式两种

5、。反射式：将光电发射体涂覆在不透明的金属上，当光从真空界面入射到光电阴极上，光电子从同一表面向外发射。透射式：将光电发射体涂覆在透明的基底上，当光从真空与基底的界面入射时，光电子从另一表面发射。光电阴极材料：金属，半导体，表面吸附一层其它元素的金属判断好的光电发射体的三个主要因素： 光吸收系数大 ； 电子在体内运动过程中能量损失小；量子效率高 表面势垒作用小 。金属与半导体相比较：（） 金属对可见光和红外光是高反射，可达90；对紫外光吸收大，因此多用在紫外探测。半导体材料反射损失小，尤其对光子能量大于禁带宽度的光辐射吸收很大，因此在可见光区和红外区用半导体光电阴极。7（2）金属中自由电子多，光

6、电子在运动中与其碰撞能量损失大，因此，只有靠近表面的电子才对光电子发射有贡献。半导体中光电子主要与晶格碰撞，能量损失小，远离界面的电子也能够到达表面。（3）金属的表面势垒作用大。金属的逸出功为真空能级与费米能级之差，几乎都大于2eV，阈值波长小于0.6m。半导体因电子亲和力小，其逸出功多在2eV以下，适用于长波长探测。84、负电子亲和力对于半导体材料来说，电子的亲和力对逸出功的影响非常大，减小亲和力就可以减小电子逸出功，从而提高量子效率。对于单一一种半导体材料，亲和力 EA 0，能量阈值较大。用两种不同材料可以产生负电子亲和力。在p型材料的表面涂一层极薄的n型材料，接触面类似于p-n结。9能带结构原来p型材料的能量阈值Eth = EA1 + Eg1表面涂n型材料后能带向下弯曲，表面能量降低，电子从n型材料逸出时的亲和力为EA2。10对于p型材料来说，体内电子要克服的亲和力为EAeE = Ae E EA2cE 如果选取合适的材料，使 c E ，此时有EAe 0，出现了A2负电子亲和力，称为NEA。显然，具有负电子亲和力的光电子发射材料其量子效率很高。例：Cs, Cs2O涂在Si上可产生负电子亲和力。11