фотокатод

ФОТОКАТОД - фоточувствит. элемент вакуумных фотоэлектронных приборов, эмитирующий электроны под действием эл--магн. излучения УФ-, видимого и ИК-диапазонов (см. Фотоэлектронная эмиссия).

Ф. представляет собой слой фоточувствит. материала, нанесённого на непрозрачную или прозрачную подложку. Толстые непрозрачные слои освещаются со стороны вакуума, а тонкие полупрозрачные плёнки, нанесённые на прозрачную подложку, могут освещаться как со стороны вакуума, так и со стороны подложки. Ф. для видимой, ИК- и ближней УФ-областей спектра имеют в своём составе (или на поверхности) щелочные металлы, вступающие в реакцию с атм. воздухом. Поэтому такие Ф. работают только в условиях высокого, вакуума и изготавливаются непосредственно в фотоэлектронных приборах или вводятся в них из вспомогат. вакуумной камеры.

Осн. параметрами Ф. являются спектральная чувствительность, квантовый выход фотоэлектронной эмиссии, интегральная чувствительность и плотность темнового тока. Спектральная чувствительность -отношение фотоэлектронного тока в режиме насыщения (в мА) к мощности падающего на Ф. монохроматич. излучения с длиной волны(в Вт). Со стороны длинных волн зависимость ограничивается порогом, или длинноволновой границей, фотоэлектронной эмиссии На практике определяется как длина волны, при к-рой Квантовый выход - отношение числа эмитированных фотоэлектронов к числу падающих на Ф. фотонов монохроматич. излучения:

Квантовый выход часто выражается в процентах. Интегральная чувствительность Ф. S-отношение фототока в режиме насыщения (в мкА) к величине падающего светового потока (в лм) от стандартного источника излучения (лампа накаливания с вольфрамовой нитью при Т= 2850 К). связаны соотношением

где-мощность излучения на данной длине волны,- относительная спектральная чувствительность "нормального" человеческого глаза (кривая видности), -порог чувствительности Ф., -границы видимого спектра, F₀ - 683 лм/Вт - световой поток в лм, соответствующий потоку в 1 Вт монохроматич. излучения снм.

Темновой ток Ф.- ток через фотоэлемент в отсутствие облучения, определяется термоэлектронной эмиссией. Она зависит от состояния поверхности Ф. (работы выхода Ф) и его темп-ры. Темновой ток является осн. источником электрич. шума в фотоэлектронных приборах. Среднеквадратичный шум в отсутствие излучения равен

где е-заряд электрона, -плотность темнового тока, q-площадь Ф., -ширина полосы частот регистрирующего устройства. Ф. также характеризуется стабильностью его чувствительности во времени и термостойкостью, т. е. диапазоном рабочих темп-р, в границах к-рого чувствительность Ф. сохраняется в заданных пределах.

В качестве Ф. в фотоэлектронных приборах (табл.) обычно используют фоточувствит. материалы, обладающие высоким квантовым выходом - т. н. эффективные Ф. Подавляющее большинство эффективных Ф. представляют собой полупроводники (см. Полупроводниковые материалы ).Чистые металлы в видимой и ближней УФ-областях спектра имеют малый квантовый выход и практически не используются в качестве Ф. Несколько выше квантовый выход бинарных сплавов (напр., Mg - Ba), к-рые иногда применяются в приборах, чувствительных к УФ-излучению. Высоким квантовым выходом обладают полупроводниковые материалы с дырочной проводимостью (р-типа) и малым положит, сродством к электрону В таких полупроводниках глубина выхода фотоэлектронов достигает неск. десятков нм. В результате значит, часть фотоэлектронов имеет возможность выйти в вакуум. Кроме того, в приповерхностной области таких Ф, существует электрич. поле, ускоряющее фотоэлектроны к поверхности. Именно эти два обстоятельства обусловливают высокий квантовый выход фотоэмиссии таких полупроводников. Ещё более высоким квантовым выходом обладают полупроводники с отрицат. эффективным электронным сродством, т. е. полупроводники, для к-рых уровень вакуума лежит ниже дна зоны проводимости в объёме полупроводника. В этом случае в вакуум могут выйти не только горячие, но и термализованные фотоэлектроны, глубина выхода к-рых равна диффузионной длине неосновных носителей заряда и достигает неск. тысяч нм, т. е. может превышать глубину поглощения света. В результате большинство электронов, возбуждённых светом в объёме полупроводника, выходят в вакуум и квантовый выход имеет большую величину во всей области чувствительности Ф.

Среди эффективных Ф. наиб, распространение получили Ф. на основе антимонидов щелочных металлов: сурьмяно-цезиевый, двухщелочные и многощелочной.

Сурьмяно-цезиевый (Cs₃Sb) Ф.- полупроводник р-типа с шириной запрещённой зоны мкм. Он изготавливается путём воздействия паров Cs в вакууме на испаренный на подложку (обычно стекло) слой Sb при темп-ре В области квантовый выход фотоэмиссии достигает 0,1-0,2 электрон/фотон (рис. 1). Обработка Cs₃Sb небольшим кол-вом кислорода (сенсибилизация) сдвигает порог фотоэмиссии в длинноволновую область спектра и увеличивает квантовый выход, особенно вблизи порога. Этот эффект связан с уменьшением работы выхода и электронного сродства.

Двухщелочные Ф. представляют собой соединения Sb и двух щелочных металлов. Они так же, как и Cs₃Sb, являются полупроводниками p-типа и изготавливаются последовательным воздействием на Sb паров двух щелочных металлов при Т= 150-200 °С. Наиб, распространение получили Ф. на основе K₂CsSb и Na₂KSb. Они отличаются от Ф. на основе Cs₃Sb чрезвычайно низким темновым током ( А/см ), а Ф. на основе K₂CsSb имеет, кроме того, более высокий квантовый выход, чем на основе Cs₃Sb, во всей области спектра.

Многощелочной Ф. представляет собой двухщелочной Ф. на основе Na₂KSb, покрытый поверхностным диполь-ным слоем Cs - Sb (или Cs), снижающим В результате на поверхности многощелочного Ф. реализуется нулевое или небольшое отрицат. эффективное электронное сродство. Именно этим обусловлена высокая чувствительность данного Ф. (рис. 1). Среди Ф. на основе антимонидов щелочных металлов многощелочной Ф. обладает спектральной характеристикой, наиб, протяжённой в длинноволновую область спектра и наиб. интегральной чувствительностью (до 500-700 мкА/лм). Величина многощелочного Ф. и величина его чувствительности существенно зависят от технологии его изготовления.

Рис. 1. Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии фотокатодов на основе Cs₃Sb (1) и Na₂ К Sb(Cs) (2).

Наиб. чувствительностью в видимой и ближней ИК-областях спектра обладают Ф. с отрицат. электронным сродством (ОЭС). Они представляют собой сильно легированные полупроводники p-типа, работа выхода к-рых снижена так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости в объёме полупроводника. Такие Ф. изготавливаются на основе полупроводниковых соединений GaP, GaAs, InP и их твёрдых растворов, а также на основе Si. В процессе изготовления Ф. поверхность полупроводника очищается прогревом в сверхвысоком вакууме, после чего работа выхода снижается адсорбцией цезия и кислорода. Наиб. высокую чувствительность имеют Ф. с ОЭС, изготовленные на основе совершенных полупроводниковых эпитаксиальных плёнок, обладающих большими диффузионными длинами (см. Эпитаксия ).Длинноволновая граница Ф. с ОЭС определяется шириной запрещённой зоны используемого полупроводника (рис. 2): где l₀ в мкм, а - в эВ. Ф. на основе GaAs с ОЭС имеет мкм, а его интегральная чувствительность достигает 2000 мкА/лм. У Ф. на основе InGaAsP с ОЭС наивысший квантовый выход (2-9%) при l=1,06 мкм (длине волны излучения неодимого лазера). Недостатками Ф. с ОЭС является их высокая стоимость и меньшая стабильность по сравнению с Ф. на основе антимонидов щелочных металлов.

Рис. 2. Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии фотокатодов с ОЭС: 1-GaAsP (E_g=1,85 эВ); 2-GaAs 3-InGaAsP

До разработки Ф. с ОЭС единственным фотокатодом, чувствительным в ИК-области l>0,9 мкм был серебряно-кислородно-цезиевыи Ф. (Ag-O-Cs). Хотя его чувствительность значительно ниже, чем у Ф. на основе InGaAsP с ОЭС, Ф. на основе Ag-О-Cs и сейчас широко применяется в фотоэлектронных приборах (спектральная характеристика приведена на рис. 3). Для этого Ф. а квантовый выход при l=0,8 мкм составляет 0,003- 0,005. Ф. на основе Ag-О - Cs изготавливается обработкой в парах Cs плёнки Ag, окисленной в тлеющем разряде в атмосфере кислорода. Ф. состоит из окиси цезия с примесями Ag и избыточного Cs и с вкраплением микрочастиц Ag. На поверхности этого Ф. находится плёнка адсорбированных атомов Cs. Механизм фотоэлектронной эмиссии из Ag-О-Cs до конца не ясен. Предполагается, что длинноволновая часть спектральной характеристики Ф. на основе Ag-O-Cs (l>500 нм) определяется возбуждением фотоэлектронов с примесных уровней, связанных с Ag и избыточным Cs, или из микрочастиц Ag в зону проводимости Cs₂O и оттуда в вакуум. Недостатком Ф. на основе Ag - О - Cs является большой темновой ток (~10^-12-10^-11А/см² при Т= T_комн.)

Рис. 3. Спектральная характеристика фотокатода на основе Ag-О-Cs.

Все Ф., чувствительные в видимой области спектра, чувствительны и к УФ-излучению. Однако в нек-рых приёмниках УФ-излучения целесообразно использовать Ф., нечувствительные к видимому свету. В солнечно-слепых приёмниках излучения, чувствительных в ближней УФ-области спектра, соответствующей полосе поглощения озона в земной атмосфере (l > 300 нм), и нечувствительных в видимой области спектра, в качестве Ф. используются плёнки теллу-ридов щелочных металлов (Cs₂Te и Rb₂Te). Эти Ф. представляют собой полупроводники с При l=0,25 мкм квантовый выход фотоэмиссии из них достигает 0,1-0,2 электрон/фотон. В более далёкой УФ-области спектра в качестве Ф. используются плёнки щёлочногалло-идных соединений, CuI и галлоидные соединения серебра.

Длинноволновая граница l₀ всех рассмотренных Ф. определяется величиной их работы выхода и ограничена значением Фоточувствительностью в более длинноволновой области спектра обладают только Ф. на основе полупроводниковых структур с сильным внутр. или внеш. электрич. полем. Ф. с сильным внеш. электрич. полем представляют собой полупроводниковые автокатоды (см. Автоэлектронная эмиссия ),изготовленные из полупроводников p-типа или высокоомных полупроводников n-типа, величина эмиссионного тока для к-рых резко увеличивается при освещении. Механизм фоточувствительности полупроводниковых автокатодов состоит в следующем. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) автоэлектронной эмиссии из указанных полупроводников существенно нелинейны (особенно при низкой темп-ре) - в них имеется область насыщения, обусловленная рядом связанных процессов: проникновением электрич. поля в глубь полупроводника и возникновением р-n-перехода вблизи острия в полупроводниках p-типа, увеличением падения напряжения на эмиттере и возникшем р - n-переходе, изменением геометрии поля вблизи эмиттера и др. В области насыщения ВАХ автоэлектронный ток резко увеличивается при освещении полупроводника в области собственного и примесного поглощения за счёт дополнит. генерации носителей тока светом в эмиттере и частичного вытеснения электрич. поля из полупроводника.

Ф. с сильным внеш. электрич. полем изготавливаются в виде отд. острий или многоострийных структур. Длинноволновая граница таких Ф. определяется шириной запрещённой зоны полупроводника или энергией ионизации примесного уровня. В случае Ф. на основе Ge, легированного Аи и компенсированного при T=77 К, а эфф. квантовый выход достигает 1-2 электрон/фотон при l=1,4 мкм и электрон/фотон при l=2 мкм. Недостатками таких Ф. являются сравнительно большой темновой ток (10^-9-10^-8 А для Ф. на основе Ge при и наличие пространственных неод-нородностей фоточувствительности в многоострийных структурах.

Ф. с сильным внутр. электрич. полем представляют собой полупроводниковые структуры с выпрямляющими контактами полупроводник - металл и гетеропереходами (см. также Контактные явления в полупроводниках). В таких Ф. свет возбуждает электроны в зону проводимости ниже уровня вакуума, а дополнительную энергию, необходимую для выхода в вакуум, фотоэлектроны приобретают в сильном электрич. поле внутри полупроводника. Длинноволновая граница таких Ф. определяется шириной запрещённой зоны полупроводника Ф. с выпрямляющим контактом полупроводник-металл изготавливаются на основе полупроводниковых соединений p-InGaAs и p-InGaAsP и представляют собой эпитаксиальные слои таких полупроводников, на поверхность к-рых наносится тонкая (~ 10 нм) плёнка Ag. Работа выхода Ag снижается адсорбцией цезия и кислорода до величины ~1,1 эВ. Такие Ф. работают при включении на контакт внеш. напряжения в обратном направлении (плюс на Ag) V=2-5 В. Фотоэлектроны, возбуждённые светом в зону проводимости, разогреваются в сильном электрич. поле контакта и выходят в вакуум сквозь плёнку Ag. Ф. на основе InGaAs с эВ имеют порог чувствительности а квантовый выход достигает 10^-3-10^-2 электрон/фотон при l<1,6 мкм.

Более высокий квантовый выход имеют Ф. на основе полупроводниковых гетероструктур с выпрямляющим контактом полупроводник - металл. Они представляют собой тонкоплёночные эпитаксиальные гетероструктуры InGaAs - InP, на поверхность к-рых нанесена тонкая плёнка Ag. Работа выхода плёнки Ag снижена адсорбцией цезия и кислорода до величины ~ 1,1 эВ. Ф. работают при внеш. напряжении (плюс на Ag) V=5-10 В. Фотоэлектроны возбуждаются светом в InGaAs. В отсутствие внеш. напряжения на гетерогранице InGaAs - InP в зоне проводимости имеется потенц. барьер к-рый препятствует переходу фотоэлектронов из InGaAs в InP и выходу их в вакуум. При наличии внеш. смещения внутр. электрич. поле выпрямляющего контакта полупроводник - металл проникает в глубь гетероструктуры и снимает барьер на гетерогранице. В результате фотоэлектроны, возбуждённые светом в InGaAs, переходят в InP, разогреваются здесь в сильном электрич. поле и выходят в вакуум сквозь тонкую плёнку Ag. Длинноволновая граница Ф. определяется шириной запрещённой зоны InGaAs и равна (рис. 4). Величина квантового выхода фотоэмиссии в области спектра достигает 0,01-0,08 электрон/фотон.

Рис. 4. Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии фотокатода на основе InGaAs-InP-Ag-Cs-O; .

Существенным недостатком Ф. на основе полупроводниковых гетероструктур и выпрямляющих контактов полупроводник- металл является большой темновой ток, связанный с тепловой генерацией электронов в узкозонном полупроводнике. Этот ток может быть уменьшен охлаждением Ф.

Лит.: Лифшиц Т. М., Мусатов А. Л., Автоэлектронная эмиссия из германия, управляемая инфракрасным излучением, "Письма в ЖЭТФ", 1966, т. 3, с. 134; Фишер Р., Нойман Х., Автоэлектронная эмиссия полупроводников, пер. с нем., М., 1971; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973; Соболева Н. A., Mеламид А. Е., Фотоэлектронные приборы, М., 1974; Белл Р. Л., Эмиттеры с отрицательным электронным сродством, пер. с англ., М., 1978; Escher J. S. [e. a.], Field assisted semiconductor photoemitters for the 1-2 mm range, "IEEE Trans. Electron. Devices", 1980, v. 27, p. 1244; Escher J. S., NEA semiconductors photoemitters, "Semiconductors and semimetals", 1981, v. 15. p. 195; Beguchev V. P., Shefova I. A., Musatov A. L., Optical and photoemissive properties of multi-alkali photocathodes, "J. Phys. D.: Appl. Phys.", 1993, v. 26, p. 1499. А. Л. Мусатов.

   <<      Предметный указатель      >>