книги из ГПНТБ / Соммер А. Фото-эмиссионные материалы

дут обсуждаться. В принципе энергия электрона может быть определена методом отклонения в магнитном поле или методом задерживающего потенциала.

В подавляющем большинстве 'последних работ ис­ пользуется второй метод. Он заключается в измерении тока фотоэлектронов, достигающих коллекторного электрода, который поддерживается при отрицательном потенциале относительно фотокатода. Для получения этим методом правильных результатов нужно учесть следующие обстоятельства:

1. Для полного сбора электронов на коллектор при­ бор должен иметь сферическую геометрию с относитель­ но большим коллектором, окружающим маленький фо­ токатод 1 .

2. Контактная разность потенциалов между катодом и коллектором должна быть исключена путем изготовле­ ния их из одинаковых материалов или измерена.

Несмотря на эти трудности, рядом авторов были раз­ работаны надежные и относительно простые конструк­ ции .приборов и измерительной аппаратуры для иссле­ дования распределения электронов по энергиям. Особо следует отметить работы Спайсера и сотрудников. [Л. 102], а также Насана и Ми [Л. 103].

Первое 'исследование распределения электронов по энергиям при фотоэмиссии из Cs3Sb было проведено Апкером и др. [Л. 104]. Они обнаружили, что с увеличе­ нием энергии фотонов доля быстрых электронов в рас­ пределении сначала увеличивается. Когда энергия фото­ нов достигает некоторого значения, максимум распреде­ ления электронов быстро смещается в сторону-меньших энергий. На рис. 11 представлены кривые энергетическо­ го распределения для различных энергий фотонов (по измерениям Апкера и др.). Форму кривых распределе­ ния электронов можно объяснить, предположив, что энергетические потери фотоэлектронов с энергиями g <Eg(Eg-— ширина запрещенной зоны) малы. Действи-

1 Измерения распределения фотоэлектронов по энергиям с до­ статочно высокой точностью могут проводиться и с цилиндриче­ ским коллектором. Этот вопрос рассмотрен подробно в {Л. 96, 104]. (Прим. перев.)

тельно, в этой области энергетические потери электро­ нов определяются только взаимодействием с колебания­ ми решетки, а такое рассеяние является почти упругим. Однако при более высокой энергии фотонов возникает вероятность ударной ионизации, т. е. генерации элек- трошго-дырочных пар, а при таком процессе потеря энергии в одном акте рассеяния равна по крайней мере ширине запрещенной зоны.

Приложенное напряжение^

Рис. П. Энергетическое распределение фотоэлектронов, эмиттируемых Cs3Sb фотокатодом, при различной энергии фотонов [Л. 104].

Позднее Тафт и Филипп [Л. 96] исследовали связь между оптическими характеристиками CsaSb и распреде­ лением электронов по энергиям при фотоэмиссии из этого материала, а также сравнили кривые распределения электронов по энергиям для ряда соединений с близки­ ми свойствами. Спайсер (Л. 105] исследовал генерацию' электронно-дырочных пар электронами с малой энерги­ ей в различных полупроводниках, причем особое внима­

структуры полупроводников и металлов, которые труд­ но получить другими способами.

так и увеличения квантового выхода во времени. Такое определение удобно, поскольку одни и те же причины могут вызвать изменение квантового выхода в любую сторону. Утомление имеет одинаковую природу для большинства фотоэмиссионных материалов, поэтому справедливость сделанных ниже замечаний не ограничи­ вается Cs3Sb фотокатодом. При рассмотрении причин, вызывающих утомление фотокатодов, мы будем прово­ дить различие между утомлением в отсутствие фото 10ка и при наличии последнего.

1. Наиболее очевидная причина — это наличие или постепенное появление течи в стеклянной колбе, содер­ жащей фотокатод. Вследствие чрезвычайной чувстви­ тельности поверхностных характеристик катода к при­ сутствию кислорода даже незначительные трещины, возникающие, например, на спае металла со стеклом, которые нельзя обнаружить никаким другим спосо­ бом, оказывают существенное влияние на эмиссионные свойства.

Cs3Sb эта критическая температура составляет прибли­ зительно 100 °С. Освещение фотокатода сильным светом, не сопровождающееся значительным увеличением тем­ пературы, по-видимому, не вызывает изменения эмисси­ онных свойств.

3. Изменение квантового выхода фотоэмиссии може г произойти в результате изменения химического состава материала, особенно в поверхностной области. Причина такого изменения может состоять в том, что актнвационный процесс не был доведен до конца или проводился при слишком низкой температуре. В результате матери­ ал находится в неравновесном состоянии. Изменения свойств такого материала могут происходить в течение длительного промежутка времени, поскольку при ком-

натной температуре процессы диффузии, которые приво­ дят к конечному состоянию равновесия, протекают очень медленно.

Утомление при отборе тока с катода. Причины утом­ ления фотокатода, описанные в предыдущем параграфе, могут быть устранены соблюдением необходимых усло­ вий. Однако при работе фотокатода происходит измене­ ние фоточувствительности, которое имеет более фунда­ ментальную природу. Обычно трудно связать это изме­ нение с какой-либо одной причиной, но можно выделить

электронов с молекулами газа, приводящие к образова­ нию положительных ионов. Эти ионы бомбардируют фютокатод, в результате чего происходит изменение свойств его поверхности. Этот эффект зависит не только от природы и давления остаточных газов, но и от разно­ сти потенциалов между анодом и катодом, т. е. от энергии, с которой ионы бомбардируют фотокатод. Оче­ видно также, что изменение фотоэмиссии, возникающее благодаря этому эффекту, прямо пропорционально чис­ лу эмиттированных фотоэлектронов.

Сделанные выше замечания показывают, что утом­ ление, вызванное ионной бомбардировкой фотокатода, может быть уменьшено или даже полностью исключено одновременным выполнением трех условий. Первое — создание в фотоэлементе максимально высокого ваку­ ума; второе — максимальное снижение анодного напря­ жения; третье — работа фотокатода в условиях мини­ мального фототока. Как и следовало ожидать, при сни­ жении анодного потенциала ниже энергии ионизации большинства газов утомление фотокатода практически исчезает, а при фототоке ниже Ю - 8 — Ю - 7 а/см2 утом­ ление пренебрежимо мало даже при более высоком анодном потенциале. Поскольку на практике фототок обычно не превышает этой величины, в хорошо отка­ чанных фотоэлементах ионная бомбардировка не может служить основной причиной утомления фотокатода. Исключение составляют случаи измерения света слиш­ ком большой интенсивности.

сорбированные молекулы газа, которые могут влиять на свойства поверхности катода и тем самым вызывать из­ менение фотоэмиссии. Это изменение может оказаться особенно сильным в случае десорбции молекул воды или

и при увеличении фототока. Экспериментально доказа­ но, что в большинстве случаев этот тип утомления фотокатода может быть исключен тщательным обезгаживанием всех металлических и стеклянных частей прибора.

Влияние термоэлектронного катода. Дополнительный источник утомления фотокатода существует в приборах, содержащих термоэлектронный катод, например в теле­ визионных передающих трубках. Присутствие горячего катода может приводить к двум нежелательным эффек­ там. Во-первых, во время работы катода может выде­ ляться газ, и, во-вторых, из-за высокой температуры ка­ тода в приборе возникает температурный градиент, который может вызвать изменение равновесия между фотокатодом и другими частями прибора.

Электролитические эффекты. В полупрозрачных фо­ токатодах наблюдается еще один эффект утомления, который, 'по-видимому, более существен для СэзЭЬ, чем для других фотоэмиссионных материалов. Вследствие высокого сопротивления тонких пленок между выводом катода и наиболее удаленным от него участком уста­ навливается градиент потенциала, который может ока­ заться значительным при большой плотности фототока. Миязава и Фукухара [Л. 106] первые указали, что этот градиент потенциала вызывает электролитическое раз­ ложение соединения CseSb, сопровождающееся измене­ нием фотоэмиссионных характеристик. Если CseSb фото­ катод имеет два контакта, между которыми приложено напряжение, происходит быстрое электролитическое разложение материала катода, обнаруживаемое по из­ менению цвета пленки. На практике этот электролитиче-

ский эффект обычно незначителен, поскольку фототок слишком мал.

Следует отметить еще две особенности процесса утом­ ления фотокатодов. Во-первых, часто наблюдается, что во время работы чувствительность фотокатода проходит через максимум, т. е. вначале происходит увеличение квантового выхода, которое впоследствии сменяется его

в этих случаях после первоначального «старения» чувст­

4-7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Электрическое сопротивление Cs3Sb. После того как

става и температуры. Исследования зависимости сопро­

Cs3Sb ограничены из-за отсутствия до настоящего вре­ мени монокристаллов этого материала, а также невоз­ можности обеспечить воспроизводимую стехиометрию соединения. Вследствие этого критически оценить ре­ зультаты исследований невозможно, и ниже приведен только краткий обзор опубликованных работ.

Изменение сопротивления слоя в процессе образова­ ния Cs3Sb, т. е. при увеличении отношения Cs : Sb, изу­ чалось рядом авторов, в том числеСоммёром {Л. 72],

энергией активации и спектральными характеристиками фотоэмиссии или оптического поглощения.

Причина различия результатов, полученных разными авторами, связана прежде всего с трудностью получения материала с воспроизводимым етехиометрическим со­ ставом. Кроме того, изменение температуры, необходи­ мое для этих измерений, вызывает изменения свойств материала, так что вид температурной характеристики проводимости зависит от методики измерений. Другой источник неопределенности измерений связан с пленоч­ ным характером исследуемых Cs3Sb фотокатодов. По­ верхностная проводимость, которая определяется состо­ янием поверхности тонкой пленки, может играть более существенную роль, чем объемная проводимость. Нако­ нец, дополнительные осложнения могут быть связаны с влиянием подложки и контактов на свойства материала.

Следует отметить резкий контраст между большим разбросом величин АЕ и хорошо воспроизводимыми ре­ зультатами фотоэмиссионных и оптических измерений, полученными разными авторами. Такое различие можно объяснить тем, что энергия активации связана с наличи­ ем в материале примесей, в то время как оптические и фотоэмиссионные характеристики определяются собст­ венными свойствами материала.

Тип проводимости. Как было указано Спайсером

материала с такой же шириной запрещенной зоны (равной приблизительно 1,6 эв). Следовательно, можно сделать вывод, что проводимость CsaSb определяется наличием дефектов, концентрация которых, по оценке Спайсера, составляет 1020 —102 1 см~3. Общепризнано, что эти дефекты связаны в основном с нарушением стехиометрического состава, а не с наличием примесных атомов. Большое число экспериментов было проведене для определения типа проводимости Cs3Sb и для выяс­ нения вопроса: что является причиной появления дефек­ тов — избыток Sb или Cs.

В отличие от большого разброса экспериментальных результатов, относящихся к измерению сопротивления Cs3Sb, многочисленные исследования типа проводимо­ сти привели к почти единогласному выводу, что Cs3Sb обладает дырочной проводимостью. Большинство ре­ зультатов было получено из измерений знака термо-

э. д. с. После работы Борзяка {Л. 114] р-тип проводимо­ сти Cs3Sb обнаружили также Саката [Л. 115, 116], Имамура [Л. 117, 118], Чикава и др. [Л. 119], Вутем [Л. 120], Едличка [Л. 121] и Хегино и др. [Л. 122]. Изме­ рения эффекта Холла, выполненные Сакатой [Л. 123], также указали на р-пт проводимости.

Причина нестехиометрического состава Cs3Sb (избы­

разованию нестабильного материала, который постепен­ но теряет лишний щелочной металл. Этот процесс, мед­ ленно протекающий при комнатной температуре, уско­ ряется при нагревании и приводит к восстановлению сое­ динения с максимальной чувствительностью. Совпадени? максимума химической стабильности и максимума фото­ чувствительности наблюдается не только для Cs3Sb, но и для других антимонидов щелочных металлов с р-ти- лом 'проводимости, которые будут рассмотрены в сле­ дующих главах. Причина такого совпадения непонятна, но тем не менее оно имеет большое практическое зна­ чение, так как позволяет вводить щелочной металл в из­ бытке относительно количества, требуемого для получе­ ния максимума. фоточувствительности. Поскольку этот избыток можно впоследствии удалить коротким прогре­ вом, процесс образования фотокатода не требует введе­ ния тщательно контролируемого количества щелочного металла.

Фотопроводимость Cs3 Sb. Первые исследования фото­ проводимости Cs3Sb были проведены вскоре после от­ крытия фотоэмиссионных свойств этого материала [Л. 114]. Целью измерений спектральных характеристик фотопроводимости было получение дополнительной ин­ формации относительно зонной структуры Cs3Sb. Одна-

ко До сих пор опубликовано лишь небольшое числа t&j ких исследований, результаты которых к тому же часто противоречивы. Вероятно, это связано, по крайней мере частично, с различными трудностями, встречающимися при проведении таких измерений. Во-первых, фотопро­ водимость Cs3Sb очень мала. Во-вторых, измерения фо­ топроводимости иа постоянном токе приводят к невос­ производимым результатам вследствие уже упомянуто­ го электролитического разложения Cs3Sb. В-третьих, на

фекты, присутствующие в материале, которые меняются

или влияние непрямых оптических переходов. В отличие от результатов Борзяка и Спайсера, Кунце [Л. 8] не об­ наружил в Cs3Sb никакой фотопроводимости до прове­ дения поверхностного окисления. Приведенные резуль­ таты показывают, что исследования фотопроводимости Cs3Sb еще не завершены.

4-8. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Оптические свойства Cs3Sb впервые были исследова­