14光电子发射效应.docx
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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
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h
ν
¾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。
¾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。
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¾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
1
2
mv2=ν−
h
max
E
w
m：
光电子质量，vmax：
出射光电子的初始速度，Ew：
逸出功。
2
（３）光电发射的红限
上式中，令vmax=0，得
Ew124
hc.
νo=或（）
λo==μ
m
hEE（eV）
ww
λ
o
ν
、称为红阈波长和红阈频率。
此时，光电子刚能从阴极逸出
o
a、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
ν
o=
E
w
h
3
T>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=ΔEd+EA
p型Ew=Eg+EA-ΔEa
E
νo=
w
红阈频率h
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２、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
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生的，与电子亲和力有关。
３、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。
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：
（１）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。
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（2）金属中自由电子多，光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0.6μm。
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。
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4、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。
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能带结构
原来p型材料的能量阈值
E
th=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。
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对于p型材料来说，体内电子要克服的亲和力为EAe
E=−Δ
AeEE
A2
c
ΔE>如果选取合适的材料，使cE，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。
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