1.10.2. Фотокатоды для видимой области спектра.

Экспериментально установлено, что наиболее эффективным эмиттером для видимой области спектра является антимонид цезия (табл. 2.2). Фотокатод из этого материала называется сурмянно - цезиевым и он наиболее изучен и распространен. Его применяют в различных фотоэлектронных приборах как в виде массивных, непрозрачных слоёв, так и в виде весьма тонких полупрозрачных пленок.

Получают сурмянно цезиевые катоды при взаимодействии пленки сурьмы, нанесенной на подложку термическим испарением в вакууме, с переведенным в парообразное состояние металлическим цезием. Для непрозрачных фотокатодов (работающих на отражение) толщина нанесенного слоя сурьмы не имеет практического значения. Для прозрачных фотокатодов (работающих на пропускание) слой сурьмы наносят до тех пор, пока не будет достигнута 70%-ная прозрачность по сравнению с исходной. В процессе взаимодействия образуется не сплав двух металлов, а интерметаллическое соединение Cs₃Sb. Структура сформированной пленки фотокатода зависит от условий изготовления, главным образом от условий нанесения пленки сурьмы (глубина вакуума, скорость испарения, состояние подложки и т.д.). Электронно-микроскопическое исследование пленок показало, что высокочувствительные сурмянно – цезиевые катоды обладают однородной мелкокристаллической структурой и равномерным распределением эмиссионных центров по поверхности. Образующиеся микрокристаллы Cs₃Sb имеют кубическую решетку и представляют собой полупроводник с шириной запрещённой зоны 1,6 эВ (рис. 19.2). Избыточные атомы Sb (10²⁰см^-3) создают акцепторные уровни, расположенные на 0,5 эВ выше валентной зоны, поэтому кристаллы имеют проводимость р-типа с энергией Ферми, несколько меньшей 0,5 эВ. Фотоны с энергией h ≤ (Δ+А_о)≈[1,6+(0,2-0,4)]≈2 эВ генерируют в материале электроны, которые не могут преодолеть потенциальный барьер на границе раздела с вакуумом и не эмитируются.

.

Рис. 19.2. Зонная структура Cs₃Sb поверхности скола в высоком вакууме без поверхностных состояний (а); изгиб зон с учетом поверхностных состояний. (в). Спектральные зависимости квантового выхода и оптического поглощения Cs₃Sb.

Для фотоэлектронов с кинетической энергией Е_к ≥ (Δ+А₀) квантовый выход определяется вероятностью диффузии к поверхности с малыми потерями энергии. Благоприятное соотношение между величинами Δ и А₀ обеспечивает отсутствие энергетических потерь фотоэлектронов на ударную ионизацию, что обуславливает сравнительно большую глубину выхода фотоэлектронов, составляющую по измерениям различных авторов, величину порядка (1500-2000) нм, эмиссия регистрируется вплоть до 1,5 эВ ( ≈ 0,69 мкм). Эта эмиссия обусловлена возбуждением электронов, захваченных акцепторными уровнями, которые имеют очень высокую плотность состояний. Высокий квантовый выход вблизи порога фотоэффекта и хорошее соответствие формы кривой собственного оптического поглощения (h) и спектральной характеристики фотоэмиссии (рис. 19.2) подтверждают то, что эмиссия фотоэлектронов происходит из валентной зоны полупроводника Cs₃Sb. быть объяснен эмиссией электронов с заполненных акцепторных уровней.