3.2 Толщина фотокатода

Таблица 1 — Основные характеристики современных ЭОП II+
Производитель	Модель	Спектральная чувствительность на длине волны 850 нм, мА/Вт	Интегральная чувствительность, мкА/лм	Сигнал/шум, не менее, относ. ед.
ЗАО «Экран Оптические системы»	ЭМП 6Г-1	45	700	18
То же	ЭМП 6Г-Д	30	500	19
»	ЭПМ66Г-2-СК	40	540	20
ОАО «Катод»	ЭМП 44Г-С	50	600	21
То же	ЭМП 44Г-Б	35	500	18
»	ЭПМ 105Г-00-22 А	45	550	19
«Photonis-Dep»	SuperGen	33…45	500…600	18
То же	XR-5	65	800	—
«Hamamatsu»	V6886U	62	280	—
То же	V6886U-01	45	550	—

Т олщина зависит от того, какой фотокатод изготавливается: толстый (S25) или тонкий (S20). Раньше использовали тонкие структуры, они обеспечивали интегральную чувствительность около 200 мкА/лм. Однако этой чувствительности недостаточно для получения качественных ЭОП. Повышение чувствительности было получено путем увеличения толщины. Поэтому сейчас используются толстые катоды, средняя чувствительность которых около 250 мкА/лм.

В работе [7] фотокатод рассматривается как тонкая пленка, в которой происходит интерференция. Если освещать фотокатод со стороны подложки, то образуется стоячая волна в результате сложения падающей и отраженной от границы фотокатод-вакуум волн. Пучность полученной волны будет располагаться вблизи границы фотокатод-вакуум. Поэтому, при правильном выборе толщины фотокатода, можно снизить отражение до минимума. В таком случае, фототок будет повышенный, как и значение лучистой энергии, проходящей в МФ. Экспериментальным путем, для диапазона длин волн λ>700 нм, было получено, что толщина фотокатода должна быть 1400 Å или 2800 Å. Предпочтительно использование ФК толщиной 1400 Å, т.к. глубина выхода (глубина, с которой электроны могут выйти в вакуум) мала для выхода электронов с фотокатода толщиной 2800 Å.

3.3 Энергетическая структура фотокатода

Полупроводниковые структуры получили широкое распространение в качестве фотокатодов потому, что они обладают маленьким коэффициентом отражения и высоким коэффициентом поглощения. В полупроводнике фотоэмиссия определяется возбуждением электронов из связанных состояний валентной зоны, дефектов кристаллической решетки и или поверхностных состояний. Фотоэлектрическое поглощение реализуется за счет прямых электронных переходов, вероятность которых выше, чем у непрямых фотоэлектронных переходов, вызванных нефотоэлектрическим поглощением. Электронное сродство W_a — расстояние от дна зоны проводимости до уровня вакуума. Чем W_a меньше, тем ниже потенциальный барьер для электронов. Уровень Ферми определяет термодинамическую работу выхода, которую в случае идеализированного полупроводника можно определить как (0.5×W_g + W_a), где W_g — ширина запрещенной зоны. Соответственно, при малом положительном или отрицательном электронном сродстве работа выхода будет минимальна.[5]

Лучше использовать полупроводники р-типа, чем n-типа, т.к. у них больший квантовый выход и больше длинноволновая граница фотоэффекта. Это обусловлено тем, что электроны с энергетически более высоких уровней переходят на акцепторные уровни, что приводит к появлению положительного пространственного заряда на поверхности полупроводника. Это способствует выходу фотоэлектронов в вакуум из полупроводника, что соответствует уменьшению электронного сродства.

На рисунке приведена энергетическая диаграмма полупроводника дырочного типа. Возбужденные электроны валентной зоны, находящиеся на расстоянии от поверхности, большем, чем ширина изгиба зон, приобретают ускорение за счет внутреннего поля. Они преодолевают меньший потенциальный барьер W_а.эфф<W_а. Изгиб зон такого типа играет важную роль в некоторых наиболее чувствительных фотокатодах.[6]

Важно соотношение W_g к W_a.[6] Предположим, что на полупроводник падает поток фотонов, энергия которых примерно равна (W_g + W_a). Тогда в зоне приводимости при поглощении света произойдет возбуждение фотоэлектронов, у которых энергия примерно равна W_a. Если W_g<W_a, фотоэлектрон вместо выхода в вакуум, возбудит второй фотоэлектрон для перехода из валентной зоны в зону проводимости. В результате у обоих электронов энергия будет мала для выхода в вакуум. Если отношение W_g/W_a больше единицы, то такой ФК будет иметь больший квантовый выход. Пример двух структур с различными значениями W_g и W_a, но одинаковой их суммой, приведен на рисунке. Квантовый выход материала Cs₃Sb больше, чем у Cs₃Bi, хотя длинноволновая граница фотоэмиссии у обоих структур одинакова. Следует отметить, что данное правило имеет качественный характер.

М ожно реализовать фотокатод с отрицательным электронным сродством (ОЭС). В таком случае электронам не нужно преодолевать потенциальный барьер, только пройти без потерь энергии потенциальную яму вблизи поверхностей, вызванной изгибом энергетических зон. Это условие выполняется, если ширина области изгиба была меньше, чем длина свободного пробега горячих электронов, достигнуть этого можно при сильном легировании полупроводника, в котором концентрация носителей рана 10¹⁸…10¹⁹ см^-3. В случае ОЭС из фотокатода выходят не только горячие электроны, но и термализированные электроны. Это позволяет обеспечить высокий квантовый выход по всей области чувствительности катода.[6, 8, 9]

Вопрос, каким сродством обладает МФ, был рассмотрен в [7]. Это является принципиальным, поскольку от этого зависит выбор метода повышения чувствительности. Если фотокатод обладает положительным электронным сродством, то увеличение чувствительности можно было бы получить за счет снижения работы выхода. В случае отрицательного электронного сродства такая мера не является эффективной. Для определения величины электронного сродства была использована формула:

,

(3.1)

где φ – работа выхода фотокатода, (W_F - W_V) – положение уровня Ферми относительно потолка валентной зоны в объеме полупроводника.

Поскольку ФК производился не традиционным методом, а методом одновременного испарения сурьмы и щелочных металлов, то в ходе работы была измерена работа выхода. Она составила φ=1,12…1,15 эВ.

Положение уровня Ферми определяется в процессе изготовления Na₂KSb фотокатода, до активировки цезием. На этом этапе сродство у МФ положительное, и положения уровня Ферми можно определить как разность красной границы фотоэффекта и термоэлектронной работой выхода. (E_F-E_V)=0,1…0,15 эВ.

Подставляя данные в (3.1), получаем, что E_a= -0,14 эВ. Это говорит о том, что усовершенствованный фотокатод обладает отрицательным электронным сродством.

Однако такой способ измерения ширины запрещенной зоны для традиционного фотокатода использовать нельзя, т.к. в пленке происходит рассеяние, которое затрудняет точное измерения коэффициентов оптического отражения и пропускания, использующиеся для расчета коэффициента оптического поглощения, которые используются для определения ширины запрещенной зоны. Поскольку известно, что для традиционных МФ E_g=1,3…1,4 эВ и примерно такое же значение имеет красная граница. Следовательно, традиционные МФ можно отнести к фотокатодам с отрицательным или нулевым электронным сродством. Разница в величинах электронного сродства между традиционным и усовершенствованным фотокатодам ΔE_a ~ 0,1 эВ.