 |
|
Параметры и характеристики фотокатодов
Фотоэлектронную эмиссию (внешний фотоэффект) характеризуют следующие основные параметры и закономерности:
1. Закон Столетова. Количество эмитируемых в единицу времени электронов (фототок) пропорционально интенсивности падающего излучения, если при изменении интенсивности спектральный состав излучения остается неизменным:
, (7)
где k – коэффициент пропорциональности, чувствительность фотокатода; Ф – поток падающего излучения.
2. Закон Эйнштейна. Максимальные кинетическая энергия и скорость фотоэлектронов, покидающих поверхность, не зависят от интенсивности света и линейно возрастают с ростом частоты падающего на катод излучения:
. (8)
Закон Эйнштейна для полупроводниковых катодов имеет место при температурах, при которых число электронов проводимости невелико и их влияние на фотоэффект практически не сказывается, так как при этом отсутствуют многочисленные столкновения. Закон Эйнштейна дает понятие о пороге (красной границе) фотоэффекта, представляющем собой длинноволновую границу λо области спектра излучения, при котором начинается вырывание фотоэлектронов из данного фотокатода. Только излучения с длиной волны λ ≤ λо , т. е. с частотой 
могут вырывать фотоэлектроны.
3. Фототок появляется и исчезает вместе с освещением, запаздывая не более чем на τ < 3· 10-9 с, что свидетельствует об инерционности фотоэффекта.
4. Фотоэлектроны имеют максвелловское распределение по скоростям.
5. Спектральная чувствительность Sλ , зависимость которой от длины волны монохроматического излучения λ называется спектральной характеристикой фотокатода
. (9)
Спектральная чувствительность – это величина изменения тока, возникающая под действием единицы светового потока (1 лм или 1 Вт) падающего излучения, обычно выражается в мА/Вт или мА/лм.
Различают абсолютные и относительные спектральные чувствительности фотокатодов. Абсолютная спектральная чувствительность фотокатода измеряется при произвольной длине волны рабочего диапазона фотокатода в режиме насыщения анодного тока. Относительная спектральная чувствительность 
есть отношение абсолютной спектральной чувствительности к ее величине в максимуме спектральной характеристики:
. (10)
Интегральной чувствительностью фотокатода называется его спектральная чувствительность к потоку неразложенного белого света, состоящего из квантов различных длин волн:
. (11)
Фототок Iф замеряется в режиме насыщения.
6. Чувствительность фотоэлектронного катода может быть выражена также отношением числа эмитированных катодом электронов к числу падающих на него фотонов, это отношение называется квантовым выходом γ. Квантовый выход есть вероятность того, что кванты света, упавшие на фотокатод, вызовут эмиссию фотоэлектронов. Явление выхода электронов, в свою очередь, зависит от вероятностей целого ряда элементарных процессов и является сложным вероятностным процессом:
… (12)
Здесь 
– вероятность того, что кванты света, упавшие на поверхность фотокатода, не будут отражены, а войдут вглубь фотокатода:
, (13)
где 
– коэффициент отражения квантов от поверхности фотокатода, который определяется по формуле Френеля
(14)
(n – коэффициент преломления материала подложки фотокатода, k – коэффициент поглощения света материалом подложки, являющийся функцией длины волны); 
– вероятность того, что кванты, вошедшие в фотокатод, поглощаются в слое 
, из которого могут выходить фотоэлектроны, – граничная глубина выхода фотоэлектронов;
, (15)
– вероятность того, что поглощенные кванты возбудят электроны. Для материалов эффективных фотокатодов 
, 
– вероятность того, что возбужденный электрон сможет выйти из фотокатода. Определяется из условия, что распределение скоростей возбужденных электронов сферически симметрично, а выйти из фотокатода смогут лишь только те электроны, которые, подойдя к поверхности, имеют нормальную составляющую кинетической энергии, большую или равную работе выхода катода, т. е. 
.
Если электрон подлетает к поверхности под углом β, то его полная кинетическая энергия, необходимая для выхода, определяется выражением 
, а предельный угол 
, при котором еще могут выходить электроны, обладающие в катоде энергией W, равен 
. На этом основании определяется как вероятность того, что фотоэлектроны имеют скорости, направление которых лежит в телесном угле W, ограниченном :
(16)
Таким образом 
определяют число квантов, вызывающих фотоэффект, и число электронов, покидающих катод. Исходя из этого и возможно определение квантового выхода выражением
, (17)
где 
– число электронов; 
– число падающих квантов.
7. Зависимости фототока, чувствительности катода и его квантового выхода от длины волны падающего излучения или частоты этого излучения называются спектральными характеристиками фотокатода. Эти характеристики определяют область спектра, где может работать фотокатод. Форма спектральной характеристики зависит от типа фотокатода, его геометрических размеров, материалов подложки и окна фотокатода. Формы спектральных зависимостей 
и 
неодинаковы, так как величина 
для каждого значения λ не пропорциональна Sλ , а делится на переменную величину λ. С длинноволновой стороны спектральные характеристики ограничены красной границей фотоэффекта λо. Со стороны коротких волн спектральные характеристики фотокатодов не имеют физической границы, но в реальных приборах они ограничены коротковолновым пределом оптической прозрачности стекла баллона или материала окна (подложки) фотокатода.
8. Вольт-амперная (или анодная) характеристика выражает зависимость фототока на анод от напряжения между электродами при неизменном световом потоке и длине волны излучения
Ia = f(Ua) при F = сonst и λ = сonst. Независимо от конструкции приборов их вольт-амперные характеристики представляют собой кривые с областью насыщения. Величина напряжения, при которой фототок достигает насыщения, зависит от размеров и конфигурации электродов и изменяется с увеличением или уменьшением F и λ, что дает семейство характеристик. Ток при отрицательных анодных напряжениях зависит исключительно от скоростей электронов, с которыми они покидают катод, а при положительных напряжениях – от плотности пространственного заряда между электродами и условий его рассасывания. При насыщении все электроны, вышедшие с катода, попадают на анод.
9. Частотная характеристика фотокатода выражает зависимость амплитуды переменной составляющей фототока от частоты модуляции светового потока (частоты его прерывания). Частотная зависимость характеризует инерционность процесса преобразования световой энергии в электрическую, связанную либо с природой процессов переноса зарядов между электродами, либо с наличием межэлектродной емкости прибора, зависящей от его конструкции.
10. Ток, измеряемый в анодной цепи, состоит из следующих составляющих: собственно фотоэлектронного тока, термотока, токов утечек и т. п. Ток, протекающий в цепи прибора при отсутствии освещения, называется темновым. Основной составляющей темнового тока является термоток, и поэтому он в сильной степени зависит от температуры окружающей среды. Рабочий диапазон температур катода, его термостойкость определяются интервалом температур, в границах которого чувствительность фотокатода сохраняется в допустимых пределах. Предельная T фотокатода ~ 70 оС.
11. При облучении фотокатода при одновременном снятии тока наблюдается изменение свойств катода и его характеристик во времени, зависящее от интенсивности облучения. Ввиду того, что изменения сопровождаются уменьшением интегральной чувствительности катода, это явление называют утомлением катода, которое бывает двух видов: обратимое, когда первоначальные свойства катода после «отдыха» в темноте восстанавливаются, и необратимое, когда его свойства в течение продолжительного времени не восстанавливаются и остаются неизменными (старение катода).
12. Фотокатод характеризуют фотоэлектронная ( 
и термоэлектронная ( 
) работы выхода, ширина запрещенной зоны в полупроводниках, энергия активации примеси и некоторые другие характеристики материала фотокатода и подложки.