книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

А. Соммер

ФОТО­

ЭМИССИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Перевод с английского

А. Л . М У С А Т О В А

«Э Н Е Р Г И Я»

МОСКВА 1973

С61

удксгі.зьз

Соммер А.

С61 Фотоэмиссионные материалы. Пер. с англ. М., «Энергия», 1973.

176 с. с ил.

Вкниге рассмотрены характеристики и физические свойства вы­

П Р Е Д И С Л О В И Е К Р У С С К О М У И З Д А Н И Ю

Фотоэлектронные приборы, в частности фотоэмиссионные приемники и преобразователи излу­ чения, получили в последние годы новый толчок к развитию в связи с расширением области их при­ менения (космические исследования, техника опти­ ческих квантовых генераторов и т. д.), а также вследствие появления нового класса эффективных эмиттеров фото- и вторичных электронов, осно­ ванных на результатах фундаментальных исследо­ ваний физических процессов электронной эмиссии и физики твердого тела.

Предлагаемый читателю сокращенный перевод книги А. Соммера содержит богатый материал, обобщающий обширную литературу, посвященную исследованию физико-химических и эмиссионных свойств главным образом традиционных фотоэмис­ сионных материалов, используемых, начиная с 30-х годов до настоящего времени, в качестве фотокато­ дов вакуумных фотоэлектронных приборов. Явля­ ясь крупным специалистом в области технологии фотокатодов, автором большого количества разра­ боток (по 'Крайней мере трех из пяти наиболее рас­ пространенных фотокатодов), А. Соммер основное внимание уделяет .подробному описанию способов получения фотокатодов и влиянию на их свойства различных приемов и режимов обработки. Описа­ ние физических свойств фоточувствительных мате-' риалов, их оптических характеристик и физического механизма фотоэмиссии базируется как на соб­ ственных результатах автора, так и анализе экспе­ риментальных работ, освещенных в периодической литературе.

В книге, изданной в США в конце 1968 г., к со­ жалению, почти отсутствуют сведения о новом клас­ се эффективных фотоэмиттеров на основе по-

полностью отражено в переводимой книге. В ходе этих исследований были созданы фотокатоды на основе соединений АзВ5 :и их твердых растворов с чрезвычайно высокой чувствительностью в види­ мой и ближней ИК областях спектра. Так, напри­ мер, в ряде лабораторий были получены фотокато­

считался наиболее эффективным фотокатодом. На основе твердых растворов Gai_..JnrAs и InPi-.-cAsA- были созданы фотокатоды с квантовым выходом около 2% на длине волны 1,06 мкм [Л. 282*,283*].

также малым темновым током, что имеет большое значение для улучшения параметров фотоэлектрон­ ных приборов.

Следует отметить, что приведенные цифры фото-

на основе фотокатодов с отрицательным электрон­

в этой области. Подробный анализ всех работ по исследованию фотоэмиссии из полупроводников с отрицательным электронным сродством содержит­ ся в ряде обзоров (Л. 253*, 286*, 290*, 291*,], кото­ рые имеют обширную библиографию по этому во­ просу.

Книга А. Соммера адресована главным образом специалистам в области разработки и производст-

ва фотоэмиссионных фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоумножители, электронно-оп­ тических преобразователен, передающих телевизи­ онных трубок), но также может быть весьма полез­ ной для физиков, использующих фотоэмиссионные методы исследования твердого тела. Разделы, по­ священные эксплуатационным свойствам фотокато­ дов, а также глава, касающаяся применения фото­ катодов в приборах, представляют несомненный интерес для инженеров, использующих фотоэлек­ тронные приборы (с точки зрения выбора наиболее подходящего фотокатода). Книга может быть так­ же рекомендована студентам университетов я тех­ нических вузов в качестве дополнительного пособия по соответствующему курсу.

Н. А. Соболева А. Л. Мусатов

П Р Е Д И С Л О В И Е А В Т О Р А

При работе над этой книгой я старался следовать двум основным принципам. Во-первых, собрать в одной книге всю информацию о фотоэмиссионных материалах, большая часть которой до сих пор была доступна только в виде отдельных статей, опубликованных в различных научных журналах в течение более чем 40 лет. Во-вто­ рых, ограничить содержание книги, когда это возможно, материалом, с которым я знаком по собственным рабо­ там. Поэтому основное внимание в этой книге уделяет­ ся технологии, используемой при изготовлении фото­ чувствительных материалов, а также физическим и хи­ мическим свойствам этих материалов. Теоретические вопросы фотоэмиссии обсуждаются только кратко и чисто качественно, поскольку я считаю, что в настоящее вре­ мя, когда объем технической информации очень велик и продолжает увеличиваться, любое ттвое издание долж­ но быть основано на личном опыте автора.

Эта книга предназначена в основном для читателей, которые занимаются изготовлением или применением фотоэмиссионных приборов, таких, как фотоумножители, преобразователи изображения и телевизионные переда­ ющие трубки, и которые хотят получить дополнительную информацию в этой области техники.

Книга должна служить физикам, химикам и инжене­ рам в качестве справочника по фотоэмиссионным мате­ риалам. С этой целью она снабжена достаточно 'полной библиографией по тем вопросам, которые в книге не рассмотрены подробно; кроме того, сделана попытка критически оценить уже опубликованные сомнительные к противоречивые результаты.

А. Соммер

Принстон, Ныо Джерси

Сентябрь, 1968 г.

Г л а в а п е р в а я ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ФОТОЭМИССИИ

1-1. ОБЪЕМНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТЫ

В научной литературе в течение многих лет фото­ эмиссия часто рассматривалась как поверхностный эф­

пользовано или буквально, когда оно относится к моно­ молекулярному слою на границе твердое тело — вакуум, или їв более общем смысле. В последнем случае оно относится к сравнительно толстой области вблизи гра­ ницы, свойства которой отличаются от свойств материа­ ла в объеме кристалла. Поглощение света в материалах с большим коэффициентом поглощения, представляю­ щих наибольший интерес как фотокатоды, происходит в приповерхностном слое толщиной в несколько сотен ангстрем, т. е. в области, где свойства вещества отлича­ ются от объемных свойств материала. Следовательно, фотоэмиссия могла бы рассматриваться как поверхно­ стный эффект на основе второго определения. Однако для лучшего понимания свойств фотокатодов полезно делать различие между объемными и поверхностными фотоэмиссионными характеристиками. Поэтому в даль­ нейшем в этой книге слово «поверхность» будет исполь­ зоваться в буквальном смысле.

Существование объемного фотоэмиссиоиного эффек­ та может быть легко доказано для материалов с высо­ кой квантовой эффективностью. Мономолекулярный по­

Следовательно, фотоэмиссия из материалов, представля­ ющих наибольший практический интерес, т. е. материа­ ле? с высоким квантовым выходом, должна быть осно-

вана па объемном эффекте. Для материалов с очень низким квантовьгм выходом объемный и поверхностный эффекты можно разделить, поскольку поверхностный эф­ фект не должен зависеть от толщины катода.

Поскольку существование объемного эффекта можно считать доказанным, удобно рассматривать фотоэмис­ сию как процесс, состоящий из трех этапов. Первый этап — это поглощение фотона, приводящее к образова­ нию в твердом теле электрона с большой энергией («го­ рячего» электрона), второй — движение этого электрона к границе с вакуумом, и третий-—выход электрона над поверхностным барьером в вакуум. Легко видеть, что первые два этапа — объемные явлення, в то время как третий — поверхностное.

1-2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Для сравнения этих двух типов материалов рассмо­ трим отдельно три этапа эмиссионного процесса.

Поглощение фотона. Металлы отличаются высоким коэффициентом отражения в видимой, ближней инфра­ красной .и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Именно эти области спектра в основном рассматрива­ ются в этой книге. Поскольку квантовый выход обычно выражается числом электронов, отнесенных к числу падающих, а не поглощенных фотонов, квантовый выход металлических фотоэмиттеров уменьшается примерно з 10 раз вследствие того, что значительная часть пада­ ющего света теряется из-за отражения.

Полупроводники и диэлектрики в отличие от метал­ лов при температуре, равной 0°К, и в отсутствие дефек­ тов имеют пустую зону проводимости, отделенную от заполненной валентной зоны запрещенной зоной шири­ ной Es. В этих условиях оба типа материалов являются идеальными изоляторами. С увеличением температуры часть электронов приобретает энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. При данной температуре число электронов в зоне проводи­ мости, а следовательно, и электропроводность материа­ ла будут тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны Eg. Материалы с широкой запрещенной зоной, у которых проводимость при комнатной температуре практически отсутствует, обычно называют диэлектрика­ ми. Материалы с более узкой запрещенной зоной, обла­ дающие заметной проводимостью при комнатной темпе-