Файл: Соммер А. Фото-эмиссионные материалы.pdf

рнстпками материалов в интервале энергий фотонов от 12 до 21 эв в зависимости от ширины их запрещенной зоны. Щелочно-галоидные соединения с наибольшей величиной Eg, а именно материалы, содержащие литий или фтор, имеют согласно Мецгеру [Л. 209] квантовый выход, до­ стигающий по крайней мере 0,2 при 13 эв. При увели­ чении энергии фотонов квантовый выход продолжает расти вплоть до доступной границы измерений (21 эв).

Фторид лития (LiF) принадлежит к этой группе ма­ териалов и выражает крайний случай в том смысле, что из всех известных материалов он обладает максималь­ ной шириной запрещенной зоны и наиболее смещенным в сторону коротких волн длинноволновым порогом. Ха­ рактеристики оптического поглощения показывают, что ширина запрещенной зоны LiF составляет примерно 12 эв. Порог фотоэмиссии по оценке Тейлора и Хартмана [Л. 217] равен 13 эв. При экспозиции на воздухе вели­ чина фотоэмиссии в припороговой•области спектра уве­ личивается [Л. 206, 228], вероятно, благодаря реакции с парами воды, которые, как уже отмечалось, уменьшают прозрачность LiF.

Свойства щелочно-галоидных соединений с меньшей шириной запрещенной зоны отличаются от свойств ма­ териалов с большой величиной Е8. Во-первых, квантовый выход фотоэмиссии после достижения максимума умень­ шается при увеличении энергии фотонов до некоторой минимальной величины [Л. 209, 217], после чего снова увеличивается. Во-вторых, при дальнейшем увеличении энергии фотонов квантовый выход может достигнуть ве­ личины, превышающей единицу [Л. 209].

Оба эффекта можно объяснить, предположив, что при энергии фотонов, вдвое превышающей ширину за­ прещенной зоны, первичные фотоэлектроны могут воз­ буждать электронно-дырочные пары. При энергии фото­ нов, лишь слегка превышающей 2Eg, в результате этого процесса один быстрый электрон заменяется двумя элек­ тронами, обладающими очень низкой энергией и соот­ ветственно малой вероятностью выхода. При дальней­ шем увеличении энергии фотонов энергия этих двух элек­ тронов также увеличивается, и в конце концов может быть достигнуто положение, когда оба электрона смогут выйти в вакуум. Квантовый выход фотоэмиссии при этом может превышать единицу, поскольку при поглощении одного фотона могут выйти в вакуум два электрона.

Эта интерпретация была подтверждена измерениями скоростей фотоэлектронов, эмиттированных из щелочногалоидных материалов [Л. 217, 229]. Было показано, что при энергии фотонов, близкой к 2Eg, скорость фотоэлек­ тронов резко падает, как и следовало ожидать, если учи­ тывать потери энергии на возбуждение вторичных элек­ тронов из валентной зоны. Следует отметить, что, веро­ ятно, не имеется никакой принципиальной разницы между материалами, которые имеют минимум на спек­ тральной характеристике в области между 12 и 21 эв, и материалами, не имеющими этого минимума. По-види­ мому,.материалы с широкой запрещенной зоной имеют такой же минимум на спектральной характеристике в об­ ласти фотонов с большими энергиями, но, поскольку в этой области не проводилось никаких измерений, такой эффект не был обнаружен.

Кроме щелочио-галоидных соединений, некоторые из­ мерения фотоэмиссии в области длин волн меньше

о

1 050 А были проведены также на фторидах щелочнозе­ мельных металлов. Например, в (Л. 230] сообщалось, что CaF2 и BaF2 имеют длинноволновую границу фотоэмис­ сии вблизи 10 эв и квантовый выход при 13 эв порядка 0,01. Измерения не были распространены на область энергий фотонов, превышающих 14,5 эв, где можно было бы ожидать более высокого квантового выхода.

Гл а в а д е с я т а я

ФО Т О Э М И С С И Я ИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И СОЕДИНЕНИЙ ТИПА А 3 В 5

10-1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Кремний. Фотоэмиссия из Si подробно исследовалась вам Ларом и Широм [Л. 256], а также Алленом и Гобели [Л. 257—261]. Особое внимание в этих работах уделялось изучению влияния степени леги­ рования и состояния поверхности на фотоэмиссионные -характери­ стики. Результаты исследования влияния легирования на спектраль­ ные характеристики фотоэмиссии из кристаллов Si с атомно-чистой поверхностью приведены на рис. 60 (Гобели и Аллен [Л. 260]). Иссле­ дования проводились на монокристаллах Si, сколотых в сверхвысо­

приводит к низкому квантовому выходу фотоэмиссии, вследствие

70'

10'

%10

I

10'

10'

W 5,0

Рис. 60. Спектральные характеристики кван­ тового выхода фотоэмисспи из кремния для образцов р- и л-типа с различной степенью легирования (Л. 260].

меняется от сильного л-типа к сильному р-типу. Это связывается [Л. 260] с возникновением благоприятного изгиба зон вблизи поверх­

тральных характеристиках в припороговой области появляется замет­ ный «хвост». Гобели п Аллеи [Л. 258] полагают, что фотоэмиссня в области «хвоста» связана с поверхностными состояниями, запол­ нение которых электронами увеличивается, с увеличением степени ле­ гирования.

Длятого чтобы исследовать влияние состояния поверхности на фотоэмиссию из кремния, Гобели и Аллеи [Л. 258] сравнили фото­ эмиссионные характеристики кристаллов, сколотых в сверхвысоком

очищенных методом Фарнсворса [Л. 262] (этот метод состоит в уда­ лении загрязненного поверхностного слоя кристалла с помощью бом­ бардировки ионами аргона и последующего прогрева для восстанов­ ления гладкой поверхности). Они обнаружили, что образцы,

приготовленные вторым и третьим методами, обладают очень близкими фотоэмиссионными характеристиками, которые существенно отличаются от характеристик непрогретого сколотого кристалла. Ти­ пичные спектральные характеристики фотоэмиссии из таких образцов приведены на рис. 61. Видно, что для непрогретого сколотого кри­ сталла квантовый выход более резко увеличивается с ростом энергии фотонов. В то же время прогретые образцы Si, а также образцы, подвергнутые ионной бомбардировке м отжигу, обладают порогом фотоэффекта в более длинноволновой области спектра. В последнем

Спансером и Симоном [Л. 265], ван Ларом и Широм (Л. 256] и наи­ более детально Алленом и Гобели £Л. 259]. Результаты этих работ в принципе согласуются между собой, однако в деталях эксперимен­ тов имеются различия. Это неудивительно, поскольку эксперименты проводились с образцами Si, изготовленными разными методами и легированными различными примесями с разной концентрацией. Кро­ ме того, трудно наносить поверхностную пленку Cs воспроизводимым

чины ~ 0 , 2 ' [ Л . 259, 265]. Значительное увеличение квантового выхода по сравнению с чистым Si связано, конечно, с существенным увели­ чением отношения Eg К Е а ,

легирование полупроводника существенно влияет на величину квантового выхода, особенно в области фотонов с низкой энергией. Этот эффект может оказаться важным для технических фотокатодов (см. гл. 11) и поэтому рассматривается более подробно.