3.4.2. Параметри фотокатодів

Емісійні властивості фотокатода характеризують рядом параметрів, пов`язаних з поняттям чутливість:

- інтегральна чутливість

S_ф= , [ ], [ ],

де – сила струму фотоемісії, Ф – інтенсивність (потужність) немонохроматичного потоку оптичного випромінювання. В довідниках інтегральну чутливість вказують за відношенням до потоку еталонного джерела, в якості якого використовується зразкова світловимірювальна газонаповнена лампа розжарення з вольфрамовою ниткою, що має кольорову температуру Т=(2856±10)К.

Якщо катод освітлений монохроматичним випромінюванням Ф з довжиною хвилі λ, тоді емісійна властивість характеризуються спектральною чутливістю:

=

Якщо чисельник і знаменник цього співвідношення помножити на час t і врахувати, що *t= *e, де – число електронів, що виходять з фотокатода за час t, а *t= *hν, де – число фотонів, що падають на поверхню на протязі того ж часу, тоді одержимо ще один вираз для спектральної чутливості

= = ,

в якому відношення

=

виступає як самостійний параметр.

Величина називається квантовим виходом і вимірюється в електронах на квант.

Важливим параметром фотокатода є також густина струму термоемісії , яка визначає складову темнового струму, від якого залежить його поріг чутливості.

Для оцінки здатності фотокатода зберігати свої властивості на протязі довгого відрізку часу. Використовують поняття втомлення і старіння фотокатоду. Втомлення – це оборотній процес повільного зменшення інтегральної чутливості і зміщення межі фотоефекту в сторону коротких хвиль при тривалому освітленні, тобто в процесі роботи. Якщо помістити фотокатод в темноту, його властивості повністю або часткового відновлюються. Незворотна зміна властивостей фотокатода називається старінням.

Типи фотокатодів.

Основними показниками, за якими зазвичай оцінюють фотокатоди, є інтегральна чутливість і спектральна характеристика – залежність чутливості від частоти (довжини хвилі) падаючого випромінювання: =f( ). За цими показниками чисто металічні фотокатоди поступаються іншим. Вони мають малу і їх гранична довжина хвилі ₀ лежить в УФ-області спектра. Це обумовлене тим, що метали мають значний коефіцієнт відбивання і велику роботу виходу. Квантовий вихід металічних фотокатодів в ближній УФ-області спектра не перевищує 10^-3, тому вони практично мало застосовуються.

У діелектриків велика ширина забороненої зони і гранична довжина хвилі завжди лежить в далекій УФ-області спектра.

В видимій області спектра використовують домішкові напівпровідники р-типу, а також всі напівпровідники з невеликою шириною забороненої зони. Квантовий вихід напівпровідникових фотокатодів близький до теоретичної границі 0,5(вважається, що внаслідок хаотичного руху збуджених світлом електронів тільки половина їх рухається до поверхні катода).

Конструктивно фотокатод вакуумного фотоелектронного приладу виготовляється у вигляді тонкої плівки напівпровідникового матеріалу, нанесеної на внутрішню поверхню скляного балона приладу або на металічну пластину (підкладку). Фотокатоди бувають масивні і напівпрозорі. Масивні фотокатоди, які мають товщину до кількох десятих долей мікрометра, опромінюються зі сторони емітуючої поверхні, оберненої всередину балона. Напівпрозорі фотокатоди товщиною 20-30 нм опромінюються ззовні зі сторони скла, а емісія в вакуум відбувається з протилежної сторони.

Приклади фотокатодів.

1. Сурм’яно-цезієвий (Cs₃Sb) – найбільш поширений в приладах, що працюють у видимій області спектра. В серійних приладах з масивними фотокатодами S_λ≈120 , в напівпрозорих ≈ 100 . Спектральна характеристика наведена на рис.1.20. Квантовий вихід досягає 0,25-0,3. Густина струму термоемісії при кімнатній температурі ≈10^-16-10^-14 .

Рис. 1.20.

2. Багатолужний фотокатод. Сполука сурми Sb з трьома лужними металами: калієм, натрієм і цезієм – Na₂KSb(Cs). Напівпровідниковий фотокатод р-типу. S_λ ≈400 , спектральна характеристика охоплює всю видиму область спектра(рис. 1.20), квантовий вихід при максимальній чутливості складає 0,35-0,4; густина струму термоемісії при t=20^оС не перевищує 10^-16 .

3. Вісмуто-срібно-цезієвий(Bi-Ag-O-Cs). Цей фотокатод має спектральну характеристику близьку до відповідної характеристики ока людини, тому він найбільш поширений в фотоелектронних приладах телевізійної техніки. Інтегральна чутливість S≈100-120 ; квантовий вихід ≈0,1, густина струму термоемісії j_s≈10^-14 .

4. Срібно-киснево-цезієвий(Аg-O-Cs) фотокатод. Виготовлення такого фотокатода зводиться до таких операцій. На внутрішню поверхню колби наносять шар срібла, який потім окислюють. Після цього шар AgO прогрівають в парах цезію, що приводить до відновлення на її поверхні плівки атомів металічного цезію. Цей фотокатод є напівпровідником n-типу з донорними домішками Ag i Cs. Він має широку спектральну характеристику(рис __ , крива 4). Квантовий вихід в обох максимумах дуже малий: 3*10^-3-7*10^-3, S=30-60 , j_s=10^-13-10^-10 . Використовується в фотоелектронних приладах, які працюють в ближній ІЧ-області оптичного діапазону.

5. Фотокатоди з від`ємною електронною спорідненістю. Вони розроблені на основі сполук А_ІІІВ_v, сильно легованих акцепторною домішкою. Поверхню фотокатода оброблюють цезієм і киснем, щоб одержати на поверхні моноатомну плівку електропозитивної речовини, яка знижує роботу виходу фотоелектронів. В результаті квантовий вихід близький до теоретичного значення 0,5; різко зростає інтегральна чутливість ≈2000 ; j_s=10^-14-10^{-16 .}

6. Фотокатоди для УФ-області спектра.

Всі фотокатоди, призначені для роботи в видимій області спектра, чутливі і до УФ-випромінювання. Але при їх використанні в приймачах УФ-випромінювання треба захищатись від засвічування сонячним світлом. Тому застосовують сонячно-сліпі фотокатоди, червона межа фотоефекту яких не заходить у видиму область спектра. До УФ-випромінювання чутливі більшість чистих металів(наприклад, плівки магнію і кадмію) і деякі металічні сплави. Високий квантовий вихід( =0,25) в області випромінювання 0,2-0,3 мкм мають телуриди цезію і рубідію з ₀=0,32 мкм, j_s=10^-18-10^-17 . Фотокатоди для УФ-області виготовляють з оптичними вікнами, які пропускають УФ-випромінювання. Для цього використовують увіолеве скло, кварц, сапфір. В приладах з <0,1 мкм використовують фотокатоди з фториду магнію і літію з червоними межами 0,095 і 0,14 мкм відповідно, _max=0,4 при =0,055 мкм.