ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 1
На рис. 62 приведены спектральные характеристики фотоэмнссмн,
полученные Широм [Л. |
2641 "а |
сильнолегированном Si |
м-тнпа |
(1,5• 101 9 атомов фосфора |
в 1 см3) |
и р-тпа ( 3 - Ю 1 8 атомов |
бора |
в 1 си/3) после нанесения пленки Cs. Как видно из рисунка, оба ма териала имеют приблизительно одинаковый порог, однако образец р-типа обладает значительно более высоким квантовым выходом во всей измеренной области спектра. Разница в величине квантового
выхода объясняется Широм с точки зрения существования |
в образ |
|||||||||||||||||||
цах р-типа благоприятного изгиба зон у поверхности. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Для получения наибольшего увеличения квантового выхода фо- |
||||||||||||||||||||
тоэмисспи |
за |
счет изгиба зон необходимо, чтобы изгиб зон |
происхо |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
дил |
на |
минимальном |
расстоянии |
от |
|||||||||
|
7 П |
|
' |
' |
г |
|
поверхности. |
Это |
условие |
обуслов |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
лено тем, что эффективное элек |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
тронное сродство снижается за счет |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
изгиба |
|
зон |
только |
для |
тех |
|
фо |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
тоэлектронов, |
которые |
|
возбуждают |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ся |
|
на |
расстоянии |
от |
поверхности, |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
большем, |
чем |
ширина |
области |
изги |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ба |
зон. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Германий. Фотоэмиссионные |
|
ха |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
рактеристики |
Ge |
во |
многом |
похо |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
жи |
|
на |
|
характеристики |
Si. |
Как |
и |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
в |
случае |
Si, |
спектральные |
характе |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ристики Ge различаются для образ |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
цов, |
приготовленных |
разными |
мето |
||||||||||
|
01 |
|
|
|
|
|
дами. Апкер и др. (Л. 266] и |
Зур- |
||||||||||||
|
|
I |
1 |
L ^ - J |
ман и др. [Л. 267] использовали |
испа |
||||||||||||||
|
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 зЗ |
ренные |
пленки |
Ge. |
Редфилд |
и |
Боум |
||||||||||
Рис. |
62. |
Спектральные |
ха |
[Л. 268] |
использовали |
кристаллы |
Ge, |
|||||||||||||
очищенные с помощью |
бомбардиров |
|||||||||||||||||||
рактеристики |
квантового |
|||||||||||||||||||
ки |
|
ионами |
аргона |
|
по |
методу |
||||||||||||||
выхода |
фотоэмиссии |
из |
|
|
||||||||||||||||
Фарнсворса (Л. 262], Хейимап [Л. 269] |
||||||||||||||||||||
силыюлегированных |
|
кри |
||||||||||||||||||
|
и |
Гобели |
и |
Аллеи [Л. |
261] |
изме |
||||||||||||||
сталлов |
кремния р- и н- |
|||||||||||||||||||
типа |
после |
нанесения |
по |
ряли квантовый |
выход |
монокристал |
||||||||||||||
верхностной |
пленки |
Cs |
лов, |
околотых |
в |
сверхвысоком |
|
ва |
||||||||||||
|
|
[Л. |
264]. |
|
|
кууме. |
|
учитывать |
сильно |
разли |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
чающиеся |
методы |
приготовления |
|||||||||||
образцов, кажется удивительным, что порог фотоэмиссии в приве денных экспериментах меняется только в пределах между 4,7 и 5,0 эв. Типичная спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии по измерениям Хеннмана приведена на рис. 63. Видно, что
даже при /iv=6 эв квантовый выход |
все |
еще не |
превышает Ю - 4 . |
||
Если мы предположим, что величина |
(Ее |
+ Еа) |
равна |
4,9 |
эв, и |
используем для Eg общепринятую для |
Ge величину |
0,7 эв, |
то |
полу |
|
чим, что электронное сродство приблизительно равно 4,2 эв, т. е. отношение Eg к Еа очень низко. Этот факт, так же как и в случае Si, объясняет низкую величину квантового выхода фотоэмиссии из германия.
В экспериментах, подобных описанным для Si, измерялась фо
тоэмиссия из кристаллов Ge с |
поверхностной пленкой Cs |
(Большов |
||
и др. (Л. 270], Аллеи и Гобели [Л. 259]). При оптимальных |
условиях |
|||
порог фотоэмиссии уменьшается |
до |
1,6 эв [Л. 259], а квантовый |
вы |
|
ход при энергии фотонов выше |
4,5 |
эв превышает 0,1 (Л. 259]. В |
этих |
|
экспериментах снова наолйдалась ксфреЛяция между увеличением
отношения |
Ел |
к Еа и увеличением квантового |
выхода. |
отличие от |
Согласно |
Аллепу и Гобелн [Л. 259] для |
германия (в |
||
кремния) |
не |
существует заметной разницы в величине |
квантового |
|
выхода для материала р- и «-типа. Поскольку квантовый |
выход для |
|||
образцов р-типа оказывается немного выше, чем для п-типа, только в области фотонов с самыми низкими энергиями, Аллеи и Гобелн предположили, что при более высокой энергии фотонов глубина вы хода электронов значительно меньше, чем ширима области изгиба
|
5,2 |
6,0 эв |
|
5,0 |
5,5 |
6,0 эв |
|
Рис. 63. Спектральная ха- |
Рис. 64. |
Спектральная |
харак- |
||||
рактеристика |
квантового вы- |
герметика |
квантового |
выхода |
|||
хода фотоэмисспи из герма- |
фотоэмнесии |
из |
теллура |
||||
ни я |
[Л. 269]. |
|
{Л. |
266]. |
|
|
|
зон. Как отмечалось в связи с описанием фотоэмиссии из кремния, полностью используют благоприятный эффект изгиба зон только те фотоэлектроны, которые возбуждаются за пределами этой области.
Селен. Понг и Норрис [Л. 271] измеряли фотоэмиссию из пленок
Se в области длин волн ниже |
2 ООО А. Они нашли, что порог |
фото- |
|||||||||
эмиссии |
близок |
к |
6 эв, а |
квантовый |
выход |
составляет |
примерно |
||||
10 |
_ г вблизи 9 эв. |
Принимая, |
что (Ев+Еа) |
« 6 эв, a Eg для Se |
равна |
||||||
2,3 |
эв *, получаем, |
что £ 0 ~ 3 , 7 |
эв. |
спектральная характеристика |
кван |
||||||
|
Теллур. На рис. 64 приведена |
||||||||||
тового |
выхода |
фотоэмиссин |
|
из пленок |
Те по |
измерениям |
Апкера |
||||
и др. [Л. 266]. Они получили, |
что (Eg+Ea) |
=4,9 |
эв. Предполагая, что |
||||||||
£ г = 0 , 3 |
эв, получаем, что £ „ = 4 , 6 |
эв. |
Низкое |
отношение |
Eg |
к Е а |
|||||
снова объясняет малую величину квантового выхода в исследованной области спектра.
10-2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТИПА А3 В3
Арсенид галлия. Фотоэмиссия из QaAs исследовалась Арсенье- вой-Гейль [Л. 272, 273], Хеннманом (Л. 269] и Гобелн н Алленом [Л. 261]. В последних двух работах измерения были сделаны па мо нокристаллах, сколотых в вакууме в плоскости (ПО), однако резуль-
* Согласно [Л. 284*] Eg селена равна 1,8 эв. (Прим. перев.)
тэты, полученные в них, существенно различаются. Хепнман |
получил |
|||
порог фотоэмиссии, равный 5 эв, и квантовый выход около |
5 • Ю - 5 |
|||
при 6 эв. Гобелн и Аллеи сообщили о величине |
( £ g + £ „ ) , |
равной |
||
5,47 |
эв, и квантовом выходе около 8- 10і при 6 эв, |
как показано |
на |
|
рис. |
65. (Разница в квантовом выходе не настолько |
велика, |
как |
сле |
дует из приведенных величин, поскольку квантовый |
выход .в (Л. 261] |
|||
рассчитан на число поглощенных, а не падающих |
фотонов.) |
|
|
|
Поскольку Гобелн и Аллеи, по-ви димому, скалывали своп кристаллы в лучшем вакууме и, кроме того, полу чили доказательство чистоты поверхно сти своих образцов с помощью метода дифракции медленных электронов, нх результаты относятся к более чистой по верхности GaAs. Если мы примем их ве
|
|
|
|
|
|
личину (Eg+Ea), |
|
равную |
5,47 |
эв, и |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
известное |
значение E g |
= 1,4 |
эв, |
мы |
полу |
||||||||
|
|
|
|
|
|
чим, |
что |
электронное |
|
сродство |
Еа = |
||||||||
|
|
|
|
|
|
=4,07 эв. Таким образом, GaAs является |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
еще одним материалом, в котором низ |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
кий «вантовый выход фотоэмиссип свя |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
зан |
с малым отношением |
Е е к Е а . |
|
кри |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Исследования |
фотоэмиссип |
из |
||||||||||
|
<hfi 5,0 |
5fi |
5,8 зВ |
сталлов |
GaAs |
с |
поверхностным |
слоем |
|||||||||||
|
Cs |
привели |
в |
основном |
к |
тем же |
ре |
||||||||||||
Рис. |
65. |
Спектральная |
зультатам, как и аналогичные исследо |
||||||||||||||||
вания |
на |
Si. Однако они имеют |
большое |
||||||||||||||||
характеристика |
кванто |
||||||||||||||||||
практическое значение, |
поскольку |
могут |
|||||||||||||||||
вого |
выхода |
фотоэмис |
|||||||||||||||||
привести |
к |
созданию |
фотоэмиссионных |
||||||||||||||||
сии |
из |
GaAs, |
рассчи |
||||||||||||||||
материалов с более высоким квантовым |
|||||||||||||||||||
танная |
на |
число |
погло |
||||||||||||||||
выходом |
в |
ближней ИК области спектра, |
|||||||||||||||||
|
щенных |
фотонов |
|||||||||||||||||
|
чем |
Ag-0-Cs фотокатод |
(см. |
гл. |
|
7) *. |
|||||||||||||
|
|
[Л. |
261]. |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
Первая работа по исследованию этого |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
материала |
была |
выполнена Шпром и ван |
|||||||||||
Ларом |
[Л. |
274]. Ниже |
приведены |
основные |
результаты |
этой |
ра- |
||||||||||||
боты. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Как |
было |
показано |
в предыдущем |
параграфе, |
сильнолегироваи- |
||||||||||||||
ные кристаллы Si р-типа с поверхностной пленкой Cs имеют порог фотоэмиссип, равный 1,4 эв. В этом отношении кремний не представ ляет собой исключения. При адсорбции Cs почти независимо от при роды материала подложки уровень Ферми на 'поверхности находится примерно на 1,4 эв ниже уровня вакуума. Если при этом использо
вать сильнолегированный полупроводник р-типа, фотоны |
с энергией |
||
1,4 эв смогут возбуждать электроны |
в вакуум из |
валентной зоны. |
|
Так же как в случае Si, фотоэмпссия |
из валентной |
зоны |
определяет |
значительно более высокий квантовый выход, получаемый на мате риале /О-типа, по сравнению с материалом п-типа.
В случае фотоэмиссии из Si /э-типа с поверхностной пленкой Cs квантовый выход в области фотонов с низкой энергией сравнительно мал вследствие того, что работа выхода равна 1,4 эв, и на 0,3 эв
* В настоящее время такие фотокатоды созданы на основе твердых растворов соединений типа А3В5, покрытых пленкой окиси цезия. Этот вопрос подробно рассмотрен в ряде обзооов [Л. 253*, 286*, 290*, 291*]. (Прим. перев.)
превышает |
ширину запрещенной зоны. В результате |
этого выйти |
|||
в |
вакуум |
могут только те электроны, которые достигают |
границы |
||
с |
вакуумом с энергией, |
равной по крайней мере 0,3 эв |
относительно |
||
дна зоны |
проводимости. Однако если ширина запрещенной зоны |
||||
равна или превышает |
1,4 эв, электронам, находящимся |
в |
зоне про |
||
водимости, не требуется дополнительной энергии для того, чтобы выйти в вакуум. Это означает, что выйти в вакуум могут и «термалпзоваииые», а не только горячие электроны. В результате этого глу бина выхода и, следовательно, вероятность эмиссии электронов ста
новятся |
очень |
большими |
даже |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
при |
энергии |
фотонов, |
близкой |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
к порогу |
фотоэмиссии. Можно |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
оказать, |
что |
такие |
материалы |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
имеют |
нулевое |
или отрицатель |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ное |
электронное |
сродство. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Из |
|
приведенных |
выше |
ар |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
гументов следует, |
что |
полупро |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
водники |
|
р-типа с поверхност |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ной пленкой Cs должны обла |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
дать |
|
наибольшим |
квантовым |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
выходом, |
если £ f f ^ l , 4 |
эе. Од |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
нако, поскольку порог фото- |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
эмиссии в этом случае опреде |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ляется |
|
только |
величиной |
Eg, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
очевидно, что мы получим фо |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
тоэмиссию в |
наиболее |
длинно |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
волновой |
области |
спектра, если |
и і |
і і |
|
і |
і |
£ |
i _ |
||||||||||
Eg |
точно |
равно, |
а |
не |
превы |
9000 5000 |
3000 |
A WOO |
|||||||||||
шает 1,4 эе. .Поэтому |
GaAs, об |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ладающий |
запрещенной |
зоной |
Рис. 66. |
Спектральные |
характе |
||||||||||||||
£ g = l , 4 |
|
эе, |
является |
наиболее |
|||||||||||||||
|
ристики квантового |
выхода |
фото |
||||||||||||||||
подходящим |
материалом |
для |
|||||||||||||||||
эмиссии |
из |
силыюлегированпого |
|||||||||||||||||
получения |
высокого |
квантового |
|||||||||||||||||
GaAs(Cs) /7-типа, рассчитанные |
|||||||||||||||||||
выхода |
в |
длинноволновой |
об |
||||||||||||||||
на число |
падающих |
(1) |
и |
погло |
|||||||||||||||
ласти |
спектра. |
|
|
|
|
|
|
щенных |
(2) |
фотонов |
[Л. 274]. |
||||||||
|
Основываясь |
на |
|
приведен |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ных |
.выше рассуждениях, Шир и |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ван |
Лар исследовали кристаллы |
GaAs р-типа, легированные Zn |
с кон |
||||||||||||||||
центрацией 4- 101 э см~3 и обработанные цезием после скола в сверх
высоком вакууме. Как видно из рис. 66, |
теоретические предположе |
||||
ния |
полностью |
подтвердились, и |
был |
получен |
квантовый выход |
|
|
|
|
|
о |
~0,3 |
в видимой |
области спектра |
и около 0,08 |
при 8 000 А. Хотя |
|
о
квантовый выход в области длин воли меньше 6000 А по порядку
величины |
не отличается от значений, |
характерных |
для антимонидов |
щелочных |
о |
более чем в |
10 раз превышает |
металлов, при 8 000 А он |
квантовый выход Ag-O-Cs фотокатода, который до появления GaAs(Cs) материала был наиболее чувствительным фотокатодом для этой области спектра. Недавно Торнболл и Эванс (Л. 275] сообщили, что при нанесении поверхностной пленки окиси цезия на кристалл GaAs, сколотый в высоком вакууме, получается фотокатод, обладаю щий близкими фотоэмиссиоиными характеристиками, но большей ста бильностью в работе.
Следует сделать два замечания относительно GaAs(Cs) фотока тода. Во-первых, заслуживает внимания то обстоятельство, что, в то
время как все другие эффективные фотокатоды были открыты чисто эмпирическими методами, это первый фотокатод, созданный на основе фундаментальных принципов физики твердого тела. Во-вто рых, если бы желаемые свойства нового материала можно было по лучить, только используя поверхность монокристалла, полученную сколом в сверхвысоком вакууме, практическое использование GaAs(Cs) фотокатода было бы сильно ограничено. Из последних
экспериментов |
(некоторые |
еще не |
были |
опубликованы |
во время |
на |
|||||||||||
писания |
книги) следует, что использование |
поверхностен, полученных |
|||||||||||||||
|
|
|
|
сколом в сверхвысоком вакууме, по-види |
|||||||||||||
|
|
|
|
мому, не |
является |
обязательным |
[Л. 276]. |
||||||||||
|
|
|
|
Однако в настоящее время не имеется ни |
|||||||||||||
|
|
|
|
какой информации |
о |
возможности |
приго |
||||||||||
|
|
|
|
товления фотокатодов в поликристаллнче- |
|||||||||||||
|
|
|
|
ской форме, а также о полупрозрачных фо |
|||||||||||||
|
|
|
|
токатодах, которые требуются для исполь |
|||||||||||||
|
|
|
|
зования |
в |
сложных |
|
приборах, таких, |
как |
||||||||
|
|
|
|
фотоумножители |
и |
преобразователи |
изо |
||||||||||
|
|
|
|
бражения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Фосфид |
галлия. |
|
Фотоэмиссия |
из |
GaP |
|||||||
|
|
|
|
исследовалась |
Фишером (Л. 277]. Он |
прово |
|||||||||||
|
|
|
|
дил измерения на монокристаллах, сколо |
|||||||||||||
|
|
|
|
тых в сверхвысоком вакууме в плоскости |
|||||||||||||
|
|
|
|
(110). Исследования |
|
относятся |
в |
основном |
|||||||||
|
|
|
|
к |
материалу, |
покрытому |
пленкой |
Cs, |
и я |
||||||||
|
|
|
|
[Л. 177] не приводится численных значений |
|||||||||||||
|
|
|
|
(Ец + Е а ) |
или |
квантового |
выхода |
|
чистого |
||||||||
Рис. |
67. |
Спектраль |
GaP. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Аналогично |
Si, |
GaAs |
и |
др. |
образцы |
|||||||||||
ная |
характеристика |
|
|||||||||||||||
GaP, покрытого Cs, имеют очень низкую ра |
|||||||||||||||||
квантового |
выхода |
||||||||||||||||
боту выхода |
(1,3±0,1 |
эв) |
и очень |
высокий |
|||||||||||||
фотоэмиссни |
из GaP |
||||||||||||||||
квантовый |
выход. |
При |
энергии |
фотонов |
|||||||||||||
р-тнпа. |
обработанно |
||||||||||||||||
около 5 эв квантовый выход |
в расчете па |
||||||||||||||||
го |
Cs [Л. 278]. |
||||||||||||||||
число поглощенных фотонов превышает 0,35 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
(соответствующая |
величина, |
рассчитанная |
|||||||||||
на падающий свет, примерно вдвое меньше). В сильнолегированных
образцах |
р-типа благодаря изгибу зон у поверхности |
высокий |
кван |
|||||||||
товый |
выход |
достигается |
и в области фотонов |
с более |
низкими |
энер |
||||||
гиями |
(Вильяме и Симон (Л. 278]). Однако вследствие большой ши |
|||||||||||
рины |
запрещенной |
зоны |
GaP |
(Eg»2,24 |
эв) |
высокую чувствитель- |
||||||
ность |
нельзя |
получить в |
|
|
|
|
|
о |
отли |
|||
области длин волн больше 5 500 А в |
||||||||||||
чие от высокого квантового выхода GaAs(Cs) |
во всей |
области |
види |
|||||||||
мого |
спектра |
(рис. 67). |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Антиионид галлия. Фотоэмиссня из GaSb, сколотого в сверхвы |
|||||||||||
соком |
вакууме в плоскости (ПО), была измерена |
Гобели и Алленом |
||||||||||
[Л. |
261]. |
Исходя |
. из |
порога |
фотоэмиссии, |
они определили, что |
||||||
(Eg+Ea) |
|
=4,76 эв. Используя общепринятую величину для ширины |
||||||||||
запрещенной |
зоны |
£ « = 0 , 7 0 эв, |
'получаем, |
что электронное сродство |
||||||||
£ „ = 4,06 эв. |
Как и следовало ожидать для такого |
малого отношения |
||||||||||
Е е |
к Е а , квантовый выход при энергии фотонов |
около 6 эв не пре- |
||||||||||
1 Этот «опрос рассмотрен в ряде обзоров [Л. 253*, 286*, 290*, 291*]. (Прим. перев.)
