5.7.Эффективные фотокатоды

Фотоэлектронная эмиссия широко используется для регистрации оптического излучения. По сравнению с другими способами регистрации основным преимуществом фотоэмиссионных катодов является их быстродействие, которое ограничивается только временем движения электронов от катода к коллектору. Фотокатоды представляют собой вакуумный диод, у которого в качестве катода используется фотоактивный слой (рис.5.8.1). Главными критериями выбора материалов для этого слоя являются их эффективность (квантовый выход) и область спектральной чувствительности. В некоторых случаях колбу заполняют газом до давления 0,01 – 0,1 тор, что позволяет увеличить сигнал более, чем на порядок за счет ионизации газа при больших напряжениях между анодом и катодом.

Наибольший интерес для практики представляет область видимого и инфракрасного света. Большинство чистых материалов имеют большую работу выхода, что не позволяет их использовать для указанных целей. Наилучших результатов удалось достигнуть при использовании в качестве фотокатодов полупроводниковых соединений элементов первой и шестой групп периодической таблицы Менделеева и соединений элементов первой и пятой групп, а также систем с отрицательным сродством.

Особенно широкое распространение получили кислородно-серебряно-цезиевые, сурьмяно-цезиевые, многощелочные и висмуто-серебряно-цезиевые фотокатоды. Характеристики некоторых фотокато-дов приведены в табл.5.7.1, а типичные спектральные зависимости квантового выхода представлены на рис.5.7.1. Следует отметить, что во многом эти характеристики индивидуальны и зависят от технологии изготовления конкретного катода. К одним из наиболее эффективных относятся кислородно-сурьмяно-цезиевые фотокатоды (рис.5.7.1, кривая 1). Слой серебра окисляется в атмосфере кислорода при давлении ~ 1 тор. При этом получается тонкий, полупрозрачный слой оксида красновато-фиолетового цвета. Затем на него наносится цезий при температуре подложки 120-190^оС.

Таблица 5.7.1. Некоторые характеристики эффективных фотокатодов

	Кислородно-серебряно-цезиевый	Сурьмяно-цезиевый	Многощелочной (Sb+K+Na+Cs)	Висмуто-серебряно-цезиевый
Интегральная чувствительность, мкА/лм	60-80	100-120	150	120
Область максимальной чувствительности, длина волны в нм	700-750 и ~350	425-475	400-450	450-500
Максимальный квантовый выход, электр/квант	0,01-0,03	0,25-0,3	0,35-0,4	0,05-0,1
Красная граница, длина волны в нм	1200-1400	700	800-850	800-850

Обработка парами цезия проводится до получения оптимальной величины квантового выхода. В результате на поверхности образуется слой оксида Cs₂O, в котором присутствуют включения в виде атомов и даже коллоидных частиц серебра. Работа выхода слоя при этом имеет величину ~0,9 –1 эВ. Можно использовать вместо цезия другие щелочные металлы, а также оксидирование заменить сульфидированием. Однако свойства фотокатодов в этом случае оказываются несколько хуже. Варьируя технологию изготовления фотоактивного слоя можно несколько изменить спектральную характеристику прибора. Так, положение длинноволнового максимума зависит от толщины слоя оксида серебра. При увеличении толщины максимум смещается к большим длинам волн.

Механизм высокого квантового выхода до конца не установлен. Полагают, что на поверхности образуется полупроводниковый слой, имеющий малое (~0,3 эВ) сродство и широкую запрещенную зону. Длинноволновый максимум связывают с эмиссией электронов с донорных уровней, образованных примесными атомами цезия и расположенных ниже дна зоны проводимости на ~0,9 эВ. Второй максимум можно приписать эмиссии с акцепторных уровней, связанных с атомами или коллоидными включениями серебра (~2,2 эВ ниже зоны проводимости).

О

Рис.5.7.1.Спектральные характеристики некоторых фотоэлементов. 1 - кислородно-серебряно-цезиевый, 2 - сурьмяно-цезиевый, 3 - многощелочной (Sb+K+Na+Cs), 4 - висмуто-серебряно-цезиевый фотокатод

чень высокой чувствительностью обладает сурьмяно-цезиевый катод (рис.5.7.1, кривая 2). Фоточувствительный слой получают обработкой сурьмы в парах цезия, в результате чего образуется полупроводниковое покрытие Cs₃Sb с примесью цезия. Дополнительная обработка кислородом приводит к увеличению квантового выхода и смещению красной границы в область более длинных волн.

Ш

Рис.5.7.2. Спектральные зависимости квантового выхода фотокатодов с отрицательным сродством. 1 – GaAs, 2-5 – InAs_xP_1-x, 6 –зависимость для обычного эффективного фотокатода Ag-O-Cs (приведена для сравнения).

ироко используются и многощелочные фотокатоды, которые получаются при нанесении атомов нескольких щелочных металлов на сурьму, например Sb+K+Na+Cs (рис.5.7.1, кривая 3). Такая комбинация приводит к образованию полупроводникового слоя р-типа. Их преимуществом является крайне высокое значение квантового выхода.

Высокой чувствительностью обладает также висмуто-серебряно-цезиевый фотокатод. Слой получается окислением пленки сурьмы с последующим напылением серебра. Система затем прогревается в парах цезия.

Особенностью всех фотокатодов является их «утомление». Эффект заключается в изменении их чувствительности и спектральной характеристики при отборе эмиссионного тока. Утомление усиливается при увеличении фототока, причем зачастую зависит не от плотности эмиссионного тока, а от его полной величины. Интересно, что при локальном освещении фотокатода наблюдается утомление и неосвещенных участков. Оказывает влияние и подложка, на которой сформирован фотоактивный слой. В частности, если в качестве подложки используется хром, то эффект утомления оказывается менее значительным.

В настоящее время широко используются системы с отрицательным сродством. Они обладают целым рядом преимуществ. На рис.5.7.2 приведены спектральные характеристики для некоторых систем. Сравнение с зависимостью для обычного фотоэлемента, которая также приведена на этом рисунке показывает, что фотокатоды с отрицательным сродством имеют значительно большую величину квантового выхода и существенно более широкую спектральную область.

Рекомендуемая литература

1. Hüfner S. “Photoelectron spectroscopy. Principles and application”. Springer, 1996.

2. Д.Вудраф, Т. Делчар “Современные методы исследования поверхности“, Москва, Мир, 1989.

3. Т.Карлсон “Фотоэлектронная и оже-спектроскопия“, Ленинград, Машиностроение, 1981.

4. “Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии“, под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха, Москва, Мир, 1987, 598 c..

Список использованных источников

1. S.Datz, E.H.Taylor // Ionization on platinum and tungsten surfaces. 1. The alkali metals // J.Chem.Phys., 25 , (1956) 389.

2. например, И.С.Градштейн, И.М.Рыжик “Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений” ГИФМЛ, М., 1963).

3. Ландау, с.181