ФОТОКАТОД


ФОТОКАТОД
ФОТОКАТОД

       
катод фотоэлектронных приборов, эмиттирующий эл-ны под действием электромагн. излучения УФ, видимого и ИК диапазонов (см. ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ). Ф. представляет собой пластинку или (чаще) тонкую плёнку фотоэмиссионного материала на непрозрачной или прозрачной подложке; в первом случае Ф. освещается с фронтальной стороны, во втором — он полупрозрачен и освещается со стороны подложки. Основные параметры Ф.: интегральная чувствительность (отношение фототока в мкА к падающему световому потоку в лм от стандартного источника излучения), спектральная чувствительность S? на длине волны ? в мА/Вт или квантовый выход Y=1,24S?/?, равный отношению числа эмиттированных электронов к числу падающих квантов излучения. Спектральная характеристика Ф. S? (?) ограничена со стороны длинных волн порогом фотоэффекта ?0 и имеет вид кривой с максимумом на длине волны ?м. Кроме того, Ф. характеризуется плотностью темнового тока, создаваемого термоэлектронной эмиссией.
ФОТОКАТОД
Спектральные характеристики квантового выхода Y основных типов фотокатодов (сплошные линии) и 3-х типов фотокатодов с отрицательным электронным сродством (пунктир), представляющих собой эпитаксиальные плёнки сильно легированных акцепторами полупроводников типа АIIIВV, активированные монослоем Cs или Cs,O; 1) CsTe; 2) Cs3Sb; 3) K2CsSb; 4) Na2KSb; 5) Na2KSb—Cs; в) Bi—Ag—О—Cs; 7) Ag—O—Cs; 8) ОЭС-Ф на основе GaAsP—Cs; 9) GaAs—Cs, O; 10) InGaAsP—Cs, O.
Применяются след. типы Ф.: Cs2Te и RbTe, чувствительные в ближнем УФ диапазоне и нечувствит. в видимой обл. (рис.); сурьмяно-цезиевый Ф. (Cs3Sb) и бищелочные Ф. (Na2 KSb, K2CsSb), чувствительные в коротковолновой части видимого спектра с ?=600 —650 нм; многощелочной Ф. (Na2KSb — Cs), чувствительный во всём видимом диапазоне и ближней ИК области спектра (?м=500 нм, ?0=900—940 нм); серебряно-кислородно-цезиевый Ф. (Ag—О—Cs), обладающий наиболее протяжённой в ИК область спектра спектральной характеристикой (?0»1,2—1,5 мкм), но невысокой чувствительностью и сравнительно большим темновым током.
Т. н. Ф. с отрицательным сродством к электрону характеризуются значительно более высокой и равномерной чувствительностью с порогом ?0, зависящим от состава и достигающим 1,7 мкм, а также низким уровнем темнового тока, но более сложной технологией (сверхвысокий вакуум, эпитаксия, высокочистые исходные материалы и меньшей стабильностью.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

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 волны 9000-3.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-рой 9000-7.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

где 9000-13.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 с 9000-17.jpgнм.

Темновой ток Ф.- ток через фотоэлемент в отсутствие облучения, определяется термоэлектронной эмиссией. Она зависит от состояния поверхности Ф. (работы выхода Ф) и его темп-ры. 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 темп-р, 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 электрону9000-24.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 зоны 9000-25.jpg 9000-26.jpg мкм. Он изготавливается путём воздействия паров Cs в вакууме на испаренный на подложку (обычно стекло) слой Sb при темп-ре 9000-27.jpg В области 9000-28.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), снижающим 9000-30.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 спектра 9000-31.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 (~10-12-10-11 А/см 2 при Т= T комн.)

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 темп-ре) - 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 эмиттер

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Синонимы:

Смотреть что такое "ФОТОКАТОД" в других словарях:

  • фотокатод — фотокатод …   Орфографический словарь-справочник

  • фотокатод — сущ., кол во синонимов: 1 • катод (4) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

  • фотокатод — Катод электровакуумного прибора, действие которого основано на использовании явления фотоэлектронной эмиссии. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы EN photocathode FR photocathode …   Справочник технического переводчика

  • ФОТОКАТОД — электрод электровакуумных фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, передающих электронно лучевых трубок и др.), испускающий поток электронов под действием падающего на него электромагнитного излучения (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Фотокатод — Фотокатод  отрицательно заряженный электрод (катод) в светочувствительных устройствах, работающих с использованием внешнего фотоэффекта (в частности, в фотоумножителях, фотоэлементах, электронно оптических преобразователях и других вакуумных …   Википедия

  • фотокатод — (см. фото...) катод электровакуумного прибора, испускающий под действием света поток свободных электронов. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, , 2009. фотокатод а, м. ( …   Словарь иностранных слов русского языка

  • фотокатод — фотоэлектронный катод; отрасл. фотокатод Катод, действие которого основано на использовании явления фотоэлектронной эмиссии …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • фотокатод — fotokatodas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. photocathode vok. Photokatode, f rus. фотокатод, m pranc. cathode photo électrique, f; photocathode, f …   Automatikos terminų žodynas

  • фотокатод — fotokatodas statusas T sritis chemija apibrėžtis Katodas, kuris šviesos veikiamas spinduliuoja elektronus. atitikmenys: angl. photocathode; photoelectric cathode rus. фотокатод …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • фотокатод — fotokatodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. photocathode; photoelectric cathode vok. photoelektrische Kathode, f; photoelektrische Katode, f; Photokatode, f rus. фотокатод, m; фотоэлектронный катод, m pranc. cathode photoélectrique,… …   Fizikos terminų žodynas