ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 1
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
сокочувствительных |
фотокатодов |
приборов, |
используемых |
в |
телеви |
|||||
зионной, |
кино- и |
измерительной |
аппаратуре. |
Описаны' технология |
изго |
|||||
товления |
|
и физические |
свойства |
эффективных |
пленочных |
фотокатодов |
||||
для |
ультрафиолетовой, |
видимой |
и ближней |
И К областей |
спектра. |
|||||
|
Книга |
предназначена |
для |
научных |
и |
инженерно-технических |
ра |
|||
ботников, |
|
занимающихся |
применением |
и разработкой |
фотоэлектрон |
|||||
ных |
катодов. |
|
|
|
|
|
|
|
051(01)-73 |
232-73 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 Ф 2 . І З |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
© Перевод |
па русским язык, |
издательство |
«Энергия», 1073 г. |
|||||||
|
А. |
Н. |
|
Soinmer |
|
|
|
|
||
|
Photoemissive |
materials. |
|
|||||||
|
Preparation, |
properties |
and uses |
|||||||
|
Wiley, |
New York, |
1968. |
|
||||||
|
|
Соммер |
A |
|
|
|
|
|
||
|
Фотоэмисснониые |
материалы |
||||||||
|
Редактор |
H. А. |
С о б о л е в а |
|||||||
Редактор издательства |
Б. М. |
В а с и л ь е в |
||||||||
Обложка |
художника |
А. |
М. |
К у в ш и н |
и и к о в а |
|||||
Технический редактор |
|
Г. |
Г. |
С а м с о н о в а |
||||||
|
Корректор |
А. |
|
К. |
|
У л е г о в а |
|
|||
Сдано в набор 21/Х П 1972 г. |
|
|
|
|
|
Подписано к печати 29/V 1973 г. |
||||
Формат 84х108'/з> |
|
|
|
|
|
|
|
|
Бумага типографская № 1 |
|
Усл. печ. л . 9,24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уч.-пзд. л. 10,41 |
Тираж 4000 экз. |
|
Зак. 10. |
|
|
|
|
|
Цена I pj6 . 04 коп. |
||
Издательство .Энергия", Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10 |
||||||||||
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома |
||||||||||
при Государственном комитете |
Совета |
Министров СССР |
||||||||
по делам |
издательств, |
полиграфии |
и |
книжной |
торговли. |
|||||
|
Москва, М-114. Шлюзовая |
наб., |
10. |
|
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-
лупроводиикав |
с отрицательным электронным срод |
|||
ством. Впервые |
описанные їв 1965 |
г., |
эти |
эмит |
теры получили |
наиболее бурное развитие в период |
|||
с 1967 по 1971 |
г., что, естественно, |
не |
могло |
быть |
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
ды на |
основе GaAs |
с интегральной |
чувствительно |
||||
стью, превышающей |
1 ООО мка/лм |
(до 2 ООО |
мка/лм |
||||
[Л. 292*]). Эту |
величину |
нужно |
сравнить |
с чув |
|||
ствительностью |
|
многощелочного |
фотокатода |
||||
(~300 |
мка/лм), |
который |
до последнего |
времени |
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*].
Это примерно в 50 раз превышает квантовый вы |
|
ход Ag—О—Cs фотокатода на этой длине волны. |
|
Помимо высокой |
чувствительности, фотокатоды |
с отрицательным |
электронным сродством обладают |
также малым темновым током, что имеет большое значение для улучшения параметров фотоэлектрон ных приборов.
Следует отметить, что приведенные цифры фото-
чувствительности |
были получены |
в |
лабораторных |
|||
условиях при |
проведении экспериментов |
в сверх- |
||||
высоковакуумных |
камерах |
( р « 1 0 - 1 0 |
мм |
рт. ст.), |
||
В последнее |
время .появились первые фотоэлектрон |
|||||
ные приборы |
(фотоэлементы |
и |
фотоумножители) |
на основе фотокатодов с отрицательным электрон
ным |
сродством. |
Чувствительность фотокатодов |
||
в приборах ниже |
приведенных |
значений, |
однако |
|
есть |
основания рассчитывать на |
быстрый |
прогресс |
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
фект. Справедливость такой |
интерпретации |
зависит |
|
в основном от |
определения |
термина «поверхность». |
|
В зависимости |
от контекста это |
слово может |
быть 'ис |
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
верхностный слой может в лучшем |
случае |
поглощать |
|
10% падающего света [Л. 1], |
и, как |
указал |
Спайсер |
[Л. 2], маловероятно, чтобы результирующий |
квантовый |
||
выход фотоэмиссии превышал |
0,001 электрона |
на фотон. |
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-
ратуре, принято называть полупроводниками. На прак тике к диэлектрикам относят материалы с шириной за прещенной зоны большей, чем 2 эв.
В отличие от металлов коэффициент отражения све та у полупроводников сравнительно невелик. В то же Бремя коэффициент поглощения света у полупроводни
ков |
бывает достаточно большим |
и составляет 105— |
10е |
САГ1. Таким образом, если |
ширина запрещенной |
зоны полупроводника меньше, чем энергия падающего фо тона, передача энергии фотонов электронам в полупро водниках оптически более эффективна, чем в металлах.
Движение электрона к границе с вакуумом. Фотоэлек
троны |
в твердом |
теле |
являются |
горячими электро |
||||
нами, |
т. е. их энергия |
превышает |
энергию |
электронов, |
||||
находящихся |
в |
термодинамическом |
равновесии |
с кри |
||||
сталлической |
решеткой. |
Вероятность |
достигнуть |
грани |
||||
цы с вакуумом |
для горячих электронов |
зависит от |
||||||
процессов, определяющих потери |
энергии |
электронами |
в твердом теле. Относительно этих процессов можно вы
сказать следующие качественные |
|
соображения: |
в |
ме |
|||||
таллах |
преобладающим |
механизмом |
энергетических |
||||||
потерь горячих электронов является рассеяние на |
элек |
||||||||
тронах проводимости. Вследствие |
большой |
концентра |
|||||||
ции свободных электронов |
в металлах |
фотоэлектроны |
|||||||
испытывают много столкновений |
с другими |
электронами |
|||||||
;i быстро |
достигают |
термодинамического |
равновесия. |
||||||
Поэтому |
вклад в эмиссионный |
ток дадут |
только |
те |
|||||
электроны, которые |
возбуждаются |
очень |
близко |
к |
'по |
верхности; в результате этого глубина выхода фото электронов в металлах обычно составляет всего несколь ко атомных слоев Ч
1 Следует иметь в виду, что, как впоследствии отмечает сам автор книги, это справедливо лишь для фотоэлектронов со сравни тельно большими энергиями относительно уровня Ферми. При уменьшении энергии электронов глубина их выхода быстро увели
чивается. Так, например, |
в .случае |
калия глубина |
выхода |
фотоэлек- |
|||
тронов |
при |
освещении светом |
|
|
о |
составляет |
|
с длиной волны Я = 3 132 А |
|||||||
всего |
три |
атомных слоя |
'[Л. |
128]. |
Однако при |
освещении более |
длинноволновым светом глубина выхода резко увеличивается и при
А>5 400 А достигает |
200 атомных |
слоев |
{Л. |
129—132]. |
Для |
золота |
|
было найдено [Л. 134], |
что глубина |
выхода |
электронов |
с энергией |
|||
порядка о эв относительно уровня Ферми |
|
|
|
о |
|||
не превышает 70 А. В то |
|||||||
же время электроны |
с |
энергией порядка |
1 эв над уровнем |
Ферми |
|||
|
|
|
о |
|
- - |
|
|
имеют глубину выхода почти 1 ООО А. По этому вопросу см. также [Л. 133]. (Прим. перев.)