PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ

1. PHÁT XẠ QUANG ĐIỆN TỬ Nhóm thực hiện: _ Huỳnh Lê Thùy Trang _ Đào Vân Thúy

2. Thắc mắc xin liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com

3. I.LÝTHUYẾT • Hiện tượng quang điện tử • Sự phát xạ quang điện tử đối với kim loại • Sự phát xạ quang điện tử đối với chất cách điện và chất bán dẫn • Yêu cầu của photocathode

4. 1.HIỆN TƯỢNGQUANGĐIỆNTỬ Lịch sử của hiệu ứng quang điện _ Năm 1839 Alexandre Edmond Becquerel lầnđầutiênquansátthấyhiệuứngquangđiệnxảyravớimộtđiệncựcđượcnhúngtrong dung dịchdẫnđiệnđượcchiếusáng. _ Năm 1887, Heinrich Hertz quansátthấyhiệuứngquangđiệnngoàiđốivớicáckimloại (cũnglànămôngthựchiệnthínghiệmphátvàthusóngđiệntừ. SauđóAleksandrGrigorievichStoletov (1839-1896) ) đãtiếnhànhnghiêncứumộtcáchtỉmỉvàxâydựngnêncácđịnhluậtquangđiện. _ Năm 1905 Albert Einstein đãlýgiảimộtcáchthànhcônghiệuứngquangđiệncũngnhưcácđịnhluậtquangđiệndựatrênmôhìnhhạtánhsáng, theoThuyếtlượngtửvừađượccôngbốvàonăm 1900 của Max Planck. Cáccôngtrìnhnàyđãdẫnđếnsựcôngnhậnvềbảnchấthạtcủaánhsáng, vàsựpháttriểncủalýthuyếtlưỡngtínhsóng - hạtcủaánhsáng.

5. 1.HIỆN TƯỢNGQUANGĐIỆNTỬ Hiện tượng: Khi thông lượng bức xạ điện từ đập lên bề mặt một vật thể thì 1 phần bị phản xạ lại, 1 phần bị hấp thụ.Bức xạ bị hấp thu nên có thể: ☻ Làm xuất hiện những hạt tải điện mới (điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng lấp đầy) làm tăng độ dẫn điện ⟹ là hiện tương quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội), xuất hiện ở chất bán dẫn và chất cách điện. Thí nghiệm của Millikan về hiện tượng quang điện ☻ Xuất hiện những điện tử có năng lượng lớn có thể vượt qua hàng rào thế năng và phát xạ ⟹ là hiệu ứng quang điện ngoại (phát xạ quang điện tử).

6. ♦ Sự phụ thuộc của dòng vào cường độ: Dòng quang điện tăng tuyến tính với cường độ ánh sáng tới ♦ Sự phụ thuộc của dòng quang điện vào điện thế áp: Vs :thế hãm ⟹ I=0 _ Thế hãm tỉ lệ với động năng cực đại của quang điện tử: Kmax =eVs _ Thế hãm không đổi khi cường độ dòng thay đổi⟹động năng của quang điện tử không phụ thuộc cường độ tới 1.HIỆN TƯỢNGQUANGĐIỆNTỬ ♦ Động năng phụ thuộc tuyến tính vào tần số ánh sáng tới

7. ☻ ĐỊNH LUẬT STOLETOV Dòng quang điện tử (trong chế độ bão hòa) tỷ lệ thuận với dòng bức xạ đập lên cathode ☻ ĐỊNHLUẬT EINSTEIN 1.HIỆN TƯỢNGQUANGĐIỆNTỬ Nănglượngcựcđạicủaquangđiệntửtỷlệthuậnvớitầnsốbứcxạvàkhôngphụthuộcvàocườngđộcủanó:

8. 2.PHÁT XẠQUANGĐIỆNTỬĐỐIVỚI KIM LOẠI ĐỊNHLUẬT EINSTEIN ╬ T > 0K: _Năng lượng của điện tử trong kim loại: ε + δW _Sau khi hấp thu năng lượng photon, điện tử có : W = ε + δW + hυ _Trên đường đi đến bề mặt kim loại, điện tử mất 1 năng lượng ΔW, sau khi vuot qua rào thế W0 ,điện tử còn động năng : mv2 /2 = ε + δW + hυ – ΔW – W0 = hυ + δW – ΔW – Φ0 _Động năng đạt cực đại khi: ΔW = 0, lúc đó: (mv2 /2)max =hυ – Φ0 + δW ╬ T = 0K: δW=0 Phương trình Einstein

9. Nhận xét: ♦ Sự phụ thuộc vào tần số của ánh sáng tới: Vận tốc của quang điện tử chỉ phụ thuộc vào tần số υ của bức xạ chiếu tới mà không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới. ♦ Sự phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới: Dòng quang điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới ( khi tăng cường độ ánh sáng tới tức tăng số photon thì số quang điện hay cường độ dòng quang điện tăng) ♦ Từ pt Einstein: 2.PHÁT XẠQUANGĐIỆNTỬĐỐIVỚI KIM LOẠI hυ < Φ0: hiệu ứng quang điện không xảy ra υ0 = Φ0 /h: biên đỏ của hiệu ứng quang điện ♦ Sự phụ thuộc thời gian của phát xạ quang điện tử Định luật Einstein chỉ nghiệm đúng khi T=0K với υ ≤ 1.5υ0 hoặc T>0K nhưng không lớn lắm (khoảng nhiệt độ phòng)

10. 2. PHÁTXẠQUANGĐIỆNTỬĐỐIVỚI KIM LOẠI ☻Mật độ dòng phát xạ: LÝ THUYẾT FLOWER ♦ Xác suất hấp thụ photon của điện tử phải phụ thuộc vào tần số υ, cường độ, năng lượng photon ♣ Biễu diễn trạng thái điện tử trong kim loại bằng thuyết Sommerfield ♦Sự phân bố năng lượng điện tử sau khi hấp thụ photon ♣ Xét dãy tần số υ~υ0÷ 1.5υ0⟹ xác suất hấp thụ photon P của điện tử bất kỳ trong hiệu ứng quang điện là như nhau, P=const ♦Xác suất điện tử hấp thụ photon đến bề mặt kim loại và sự mất mát năng lượng trên đường đi của chúng. ♣ Hệ số truyền qua: ♦Hệ số truyền qua của điện tử được kích thích qua rào thế trên bề mặt kim loại …. ♣ Quang điện tử khi thoát ra ngoài chân không, không bị va chạm trong kim loại

11. ☻ Điện tử khí ở lớp trên bề mặt kim loại được chiếu sáng với tần số υ gồm 2 loại: + điện tử thông thường nằm gần mức Fermi: ở nhiệt độ thường (W0 – ε >> kT)⟹ không thể tự thoát khỏi kim loại. + điện tử được kích thích bởi hυ ☻Số điện tử có năng lượng trong khoảng từWx đến Wx + dWx đập lên 1 đơn vị diện tích bề mặt kim loại trong 1s: 2. PHÁTXẠQUANGĐIỆNTỬĐỐIVỚI KIM LOẠI ☻ Số quang điện tử thoát ra trên 1cm2 bề mặt kim loại trong 1s: α là xác suất hay tỉ số giữa mật độ điện tử khí được kích thích bởi photon trên lớp bề mặt kim loại với mật độ điện tử khí thông thường, α = const

12. Đưa pt về dạng Với : Hàm số: 2. PHÁTXẠQUANGĐIỆNTỬĐỐIVỚI KIM LOẠI ⟹Mật độ dòng quang điện tử: Hằng số nhiệt điện tử Sommerfield

13. Nhận xét kết quả: TH:υ = 0 (và α = 1) TH: T > 0 K ☻ υ = υ0 ; x = 0 ⟹ Mâu thuẫn với ĐL Einstein Mật độ dòng: ☻ υ > υ0 ; x>> 1 Trùng với pt phát xạ nhiệt điện tử TH: T = 0K ☻ υ < υ0 ; x→ -∞ ⟹ jΦ = 0 : đúng với định luật Einstein JΦ phụ thuộc rất ít vào T ☻ υ < υ0 ; x<< -1 f(x) ≈ ex ☻υ > υ0 ; x→ ∞ jΦ = αAoT2 Sự hấp thụ lượng tử tương đương sự giảm công thoát 1 lượng hυ

14. 3.PHÁT XẠQUANGĐIỆNTỬCỦACHẤTBÁNDẪNVÀCHẤTCÁCHĐIỆN BÁNDẪNTINHKHIẾTVÀCHẤTCÁCHĐIỆN T= 0K Điều kiện để phát xạ quang điện tử hυ ≥ ψ + Eg Tần số biên của phát xạ quang điện tử υ0 : hυ0 = ΦΦ = ψ + Q0 ΦΦ :công thoát quang điện tử Công thoát phát xạ nhiệt điện tử: Φ0 = W0 – ε = ψ + Q0 /2 = ΦΦ – Q0 /2 Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn tinh khiết và chất cách điện ở T= 0 K Ở T= 0K: đối với kim loại: Φ0 = ΦΦ

15. 3.PHÁT XẠQUANGĐIỆNTỬCỦACHẤTBÁNDẪNVÀCHẤTCÁCHĐIỆN BÁNDẪNCÓTẠPCHẤT Ở nhiệt độ thấp BÁN DẪN LOẠI P BÁN DẪN LOẠI N ♦Tần số biên được xác định: hυ0 = ΦΦ = ψ + Q0 δ≈ Q/2 ♦ Hệ thức giữa ΦΦ và Φ0 có dạng: Φ0 = ΦΦ - δ ♦Tần số biên được xác định: hυ0 = ΦΦ = ψ + Q δ≈ Q/2 ♦ Hệ thức giữa ΦΦ và Φ0 có dạng: Φ0 = ΦΦ - δ = ΦΦ – Q/2

16. 4.YÊU CẦUCỦA PHOTOCATHODE Biênquangđiệntử Lượngtửthoát (độnhạyγ = sốquangđiệntử/ số hυ) ĐỐIVỚI KIM LOẠI ĐỐIVỚICHẤTCÁCHĐIỆN ☻ Độ nhạy rất nhỏ, luôn luôn không đổi ☻ Tần số biên luôn nằm rất xavùng tử ngoại ☻ Ở nhiệt độ thường phát xạ nhiệt điện tử hoàn toàn không xảy ra⟹ quan trọng đối với cathoade làm nhân quang điện ☻Biên quang điện tử của tất cả các kim loại (trừ kim loại kiềm) đều nằm trong vùng tử ngoại hoặc ở biên vùng ánh sáng tím ☻Không thuận lợi ☻Cathode kim loại được dùng khi cần có photocathode có độ nhạy lớn ở vùng tử ngoại

17. 4.YÊU CẦUCỦA PHOTOCATHODE PHOTOCATHODE BÁNDẪN ♦ Nhận biết ánh sáng trong vùng khả kiến ♦ Có lượng tử thoát lớn ☻Hấp thụ quang điện tử là lớn nhất khi quang điện tử thoát ra từ vùng đầy vì số điện tử trong vùng đầy luôn lớn hơn vùng tạp chất. ☻Sự mất mát năng lượng của quang điện tử trên đường đi của nó đến bề mặt cathode là không nhiều Để thỏa yêu cầu của một photocathode thì ngoài lượng tử thoát lớn còn cần giảm công thoát quang điện tử ΦΦ⟹phủ lên bề mặt cathode 1 lớp đơn nguyên tử mỏng. PHOTOCATHODE BÁN DẪN PHỨC TẠP

18. PHOTOCATHODE Ag-Cs2O-Cs Cathode bándẫnloại n PHOTOCATHODE Cs3Sb Cathode bándẫnloại p Độ nhạy tích phân:

19. Đặc trưng của phổ photocathode • Cs3Sb không trong suốt • Cs3Sb trong suốt • Ag-Cs2O-Cs (theo tỷ lệ xích bên phải) Ag-Cs2O-Cs _ Biên quang điện λ0 lớn hơn 12000-14000A0 (ΦΦ ≈0.87÷1eV) _ Cực đại thứ nhất(λmax≈3500A0 ):γ ≈0.01, STP ≈2mA/Watt, đủ lớn. _ Cực đại thứ 2 (λmax ≈8000÷8500A0 ) độ nhạy phổ trong vùng hồng ngoại (loại cathode phát xạ duy nhất có độ nhạy lớn trong vùng hồng ngoại. Cs3Sb( photocathode hiệu dụng) _ Bước sóng biên quang điện λ0 ≈6200÷7000A0 (ΦΦ ≈1.7÷2eV) :nhờ sự phát xạ từ mức tạp chất aceptor _Tại miền cực đại (λmax ≈4200÷4500A0): γ rất lớn (0.25÷0.3),, độ nhạy tích phân đạt khoảng 60÷100mA/Watt, do dự phát xạ quang điện tử ở vùng hóa trị. Mật độ dòng nhiệt lớn 10-13 ÷ 10-11 A/cm2 (ở nhiệt độ phòng) Mật độ dòng nhiệt tương đối nhỏ 10-16 ÷10-15 A/cm2