к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

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 9000-2.jpg-отношение фотоэлектронного тока в режиме насыщения (в мА) к мощности падающего на Ф. монохроматич. излучения с длиной волны9000-3.jpg(в Вт). Со стороны длинных волн зависимость 9000-4.jpg ограничивается порогом, или длинноволновой границей, фотоэлектронной эмиссии 9000-5.jpg На практике 9000-6.jpg определяется как длина волны, при к-рой9000-7.jpg Квантовый выход 9000-8.jpg- отношение числа эмитированных фотоэлектронов к числу падающих на Ф. фотонов монохроматич. излучения:

9000-9.jpg

9000-10.jpg


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).9000-11.jpg связаны соотношением

9000-12.jpg

где9000-13.jpg-мощность излучения на данной длине волны,9000-14.jpg- относительная спектральная чувствительность "нормального" человеческого глаза (кривая видности), 9000-15.jpg-порог чувствительности Ф.,9000-16.jpg -границы видимого спектра, F0 - 683 лм/Вт - световой поток в лм, соответствующий потоку в 1 Вт монохроматич. излучения с9000-17.jpgнм.

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

9000-18.jpg

где е-заряд электрона, 9000-19.jpg-плотность темнового тока, q-площадь Ф., 9000-20.jpg-ширина полосы частот регистрирующего устройства. Ф. также характеризуется стабильностью его чувствительности во времени и термостойкостью, т. е. диапазоном рабочих температур, в границах к-рого чувствительность Ф. сохраняется в заданных пределах.


9000-21.jpg

В качестве Ф. в фотоэлектронных приборах (табл.) обычно используют фоточувствит. материалы, обладающие высоким квантовым выходом 9000-22.jpg - 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 9000-23.jpg 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 9000-24.jpgВ 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 зоны9000-25.jpg 9000-26.jpg мкм. Он изготавливается путём воздействия паров Cs в вакууме на испаренный на подложку (обычно стекло) слой Sb при температуре 9000-27.jpg В области9000-28.jpg 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 (9000-29.jpg 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), снижающим9000-30.jpg 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 спектра9000-31.jpg и наиб. интегральной чувствительностью (до 500-700 мкА/лм). Величина 9000-32.jpg 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).


9000-33.jpg

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): 5071-1.jpg где l0 в мкм, а 5071-2.jpg- в эВ. Ф. на основе GaAs с ОЭС имеет 5071-3.jpgмкм, а его интегральная чувствительность достигает 2000 мкА/лм. У Ф. на основе InGaAsP с ОЭС 5071-4.jpg 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.

5071-5.jpg

Рис. 2. Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии фотокатодов с ОЭС: 1-GaAsP (Eg=1,85 эВ); 2-GaAs 5071-6.jpg 3-InGaAsP 5071-7.jpg

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. 5071-8.jpg 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= Tкомн.)

5071-9.jpg

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 5071-10.jpg 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 5071-11.jpg 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 температуре) - 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 5071-12.jpg при T=77 К, а эфф. квантовый выход достигает 1-2 электрон/фотон при l=1,4 мкм и 5071-13.jpg 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 5071-14.jpgи 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 5071-15.jpg5071-16.jpg 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 5071-17.jpg эВ имеют порог чувствительности 5071-18.jpg 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 5071-19.jpg 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 5071-20.jpg и равна 5071-21.jpg (рис. 4). Величина квантового выхода фотоэмиссии в области спектра 5071-22.jpg достигает 0,01-0,08 электрон/фотон.

5071-23.jpg

Рис. 4. Спектральные характеристики квантового выхода фотоэмиссии фотокатода на основе InGaAs-InP-Ag-Cs-O; 5071-24.jpg.

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.

Литература по

  1. 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.

    к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

    Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
    Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
    На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
    Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

    Bourabai Research Institution home page

    Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution