3.10.2. Фотокатоды для инфракрасной области.
Единственный из промышленных фотокатодов, чувствительный в этой области спектра это фотокатод – на базу элементов Ag-O-Cs с низким квантовым выходом и высокой плотностью тока термоэлектронной эмиссии при комнатной температуре, что существенно ограничивает возможности его использования. По результатам исследований проведенных в последние тридцать лет можно выделить два перспективных направления, по созданию фотокатодов обладающих высокой квантовой эффективностью в инфракрасной области:
1. Фотокатоды с отрицательным сродством к электрону. 2. Разработка систем, в которых выход электронов в вакуум облегчается сильным электрическим полем внутри проводника либо на его поверхности (автофотокатоды).
Фотокатоды с отрицательным сродством к электрону (ОЭС) – это фоточувствительные полупроводниковые соединения класса А3В5 с малой шириной запрещённой зоны, поверхность которых покрыта пленкой оксида цезия либо других его соединений (например, CsF). Полупроводниковые соединения класса А3Б5 получают путем образования твердых растворов из однотипных соединений с различной шириной запрещённой зоны. Примером может служить твердый раствор, образованный на базе двух соединений InAs с шириной запрещённой зоны =0,35 эВ и GaAs c =1,35 эВ. При образовании твердого раствора In (1-x)GaxAs ширина запрещённой зоны зависит от величины 0 ≤ х ≤1 (рис. 21.2,а)
Работу выхода электрона из поверхностной плёнки Cs2O можно довести до величины 0,6-0,7 эВ. Однако получить порог фотоэмиссии при такой маленькой энергии фотонов не удаётся даже при использовании тройных соединений с достаточно узкой запрещённой зоной. Объясняется это тем, что, по-видимому, на границе полупроводник – оксид цезия образуется потенциальный барьер.
Рис. 21.2. а). Зависимость ширины запрещённой зоны от состава твердых растворов. б). Энергетическая схема узкозонного полупроводника с пленкой Cs2S на поверхности (с отрицательным электронным сродством).
(рис. 21.2,б) вершина которого лежит выше дна зоны проводимости в объёме полупроводника. В полупроводниках А3В5 порог фотоэффекта определяется наибольшей из трех энергий: ширины запрещённой зоны ; поверхностной работы выхода АB и высотой промежуточного барьера ЕБ. В системе GaAs – CsO наибольшая энергия соответствует ширине запрещённой зоны, и порог фотоэмиссии h0≥. В фотокатодах на основе материалов с узкой запрещённой зоной (≤1 эВ) порог фотоэффекта ограничивается высотой промежуточного барьера ЕБ=0,9-1эВ, поэтому без понижения этого барьера использование материалов с ≤0,9 эВ не имеет смысла.
Состояние отрицательного сродства к электрону достигается, когда энергетический уровень электрона на дне зоны проводимости в объёме полупроводника (рис. 21.2,б) выше нулевого энергетического уровня электрона в вакууме. В этом случае для электронов, перешедших при возбуждении в зону проводимости, не требуется избыточная тепловая энергия сверх Еп для выхода в вакуум. Следовательно, основным отличием эмиттеров с ОЭС в сравнении с рассмотренными ранее является то, что эмитируются не «горячие» электроны, а «термолизованные» со дна зоны проводимости, при этом, сродство к электрону в действительности отрицательно относительно объёма, а не поверхности.
На рис. 22.2 представлены спектральные характеристики образцов лабораторных фотокатодов на основе различных тройных соединений А3Б5. Там же представлена спектральная характеристика обычного промышленного серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода, используемого в приёмниках инфракрасного излучения. Сопоставление показывает, что интегральная чувствительность фотокатодов с ОЭС на порядок величины превышает среднюю интегральную чувствительность серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода используемого в приемниках инфракрасного излучения. На длине волны 1,06 мкм (излучение неодимового лазера) квантовый выход у фотокатодов на основе тройных соединений на порядок больше чем у (Ag-O-Cs) фотокатода. Существенным преимуществом фотокатодов с отрицательным электронным сродством является также ничтожно малая величина термоэмиссии, на два порядка меньше чем у (Ag-O-Cs) фотокатода.
Рис. 22.2……Спектральные характеристики инфракрасных фотокатодов с отрицательным электронным сродством (экспериментальные образцы): 1,2-InxGa(1-x)As c различной величиной х; 3,4-InAsxP(1-x) c х=0,6 и 0,85; 5-GaAsxSb(1-x); 6-серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод.
Второе направление работ в области создания фотокатодов, чувствительных в инфракрасной области спектра, это разработка систем, в которых выход фотоэлектронов в вакуум обеспечивается сильным электрическим полем либо внутри полупроводника, либо у его наружной поверхности. Схема получения фотоэмиссии горячих электронов и энергетическая диаграмма полупроводника показаны на рис. 23.2,а. Внутреннее сильное электрическое поле вызывает «разогрев» электронов, т.е. сообщает им дополнительную энергию, стимулируя эмиссию горячих электронов, разогретых полем на нижние уровни зоны проводимости полупроводника.
Более обнадеживающие результаты получены на основе туннельной фотоэмиссии, схема которой показана на рис. 23.2,б. Фотоэмиттер изготовляется в виде конического острия из полупроводникового материала. Электрическое поле создается у поверхности острия подачей напряжения на коллектор электронов. Освещение катода может производиться в любом участке поверхности, а не непосредственно у самого острия. Для уменьшения темнового тока, образованного обычной туннельной эмиссией, острийный катод необходимо охлаждать.
Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии, полученные на опытных образцах острийных фотокатодов из кремния, арсенида галлия и германия представлены на рис. 24.2. Технологические трудности получения
Рис. 23.2. Энергетические схемы: а - пленочного катода с эмиссией: а - горячих электронов; б) туннельной автофотоэмиссии.
Рис.24.2 Спектральные характеристики фотоэмиссии острийных туннельных автофотокатодов: 1-Ge; 2-GaAs; 3-Si; 4-(Ag-O-Cs) фотокатод; 5-многощелочной фотокатод.
таких катодов, маленькая рабочая поверхность и необходимость глубокого охлаждения препятствуют, в настоящее время, их широкому внедрению в промышленное производство.