Основні типи фотокатодів

В електронних і іонних фотоелементах використовується явище зовнішнього фотоефекта. Не кожний квант здатний викликати фотоемісію. Тому зовнішній фотоефект оцінюють квантовою чутливістю або квантовим виходом Y. Квантова чутливість (вихід) показує, яка кількість фотоелектронів припадає на один квант. З досвіду відомо, що Y значно менший одиниці і залежить від властивостей фотокатода та від енергії кванта. У фотоелементах практично доводиться мати справу із селективним фотоефектом, коли квантова чутливість набуває максимальне значення на певній частоті. На частотах, що лежать нижче порога фотоефекта емісія неможлива. Зі збільшенням частоти зростає імовірність надання електронам емітера енергії, достатньої для виходу, і квантова чутливість збільшується. На ще більш високих частотах чутливість зменшується. Це пояснюється відбиттям квантів від поверхні фотокатода і збудженням електронів на більшій глибині, звідки їх вихід до поверхні є ускладненим.

Залежність кількості фотоелектронів, що виходять із фотокатода, тобто фотоемісійного струму j_feвід величини світлового потоку Ф (від кількості квантів) при відповідній частоті v світлового потоку визначається законом Столетова Г.О.

j_fe =k(n)F (1.1)

де коефіцієнт пропорційності k(n) називається спектральною віддачею фотокатода.

Очевидно, що k(n)пропорційний квантовому виходу Y і характеризується тією ж частотною залежністю. Якщо світловий потік складається з коливань різних частот, у (1.1) k(n) замінюють на інтегральну віддачу k. Величина світлового потоку виміряється в люменах, струм фотоемісії у мікроамперах, коефіцієнти k(n) і k мають розмірність мкА/лм , або А/Вт.

На (рис. 1.1) представлена будова основних фотокатодів, які виконуються по типу оксидних катодів. Киснево-цезієвий фотокатод (рис. 1.1а) наноситься на шар срібла, яким звичайно покривається скло балона. Він складається з напівпровідного покриття окислів цезію й срібла, усередині і на поверхні якого розташовуються атоми чистого цезію. Останні виконують роль атомів барію в оксидному катоді.

Рисунок 1.1 Будова фотокатодів: а) киснево-цезієвого; б) сурмяно-цезієвого.

На рис.1.2 показана залежність спектральної віддачі киснево-цезієвого фотокатода від частоти або спектральна характеристика. Як видно, вона має два максимуми. Низькочастотний максимум лежить в інфрачервоній частині спектра, а високочастотний – в ультрафіолетовій (у видимій частині спектра характеристика має провал). Ультрафіолетовий максимум визначається вириванням електронів зі срібної підкладки фотокатода, а довгохвильовий – з напівпровідника.

Киснево-цезієвий фотокатод чутливий до іонного бомбардування, перегріву і легко окисляється. Крім того, його фотоемісійна здатність залежить від часу опромінення. Чим більше часу фотокатод опромінюється, тим менше його фотоемісійний струм (явище стомлюваності). У процесі роботи інтегральна віддача також падає.

Сурм'яно-цезієвий фотокатод (рис.1.1б) складається з напівпровідного шару, що складається із сполуки сурми і цезію (імовірний склад SbСs₃). Він наноситься безпосередньо на скло.

Емісійні властивості сурм'яно-цезієвого катода значно гірші, ніж у киснево-цезієвого, а значить вплив термоемісії на фотострум практично відсутній. Робота виходу його порядку 1,4 еВ. Зате квантова чутливість досягає 0,25-0,3 і катод має інтегральну віддачу більше 100 мкА/лм.

Максимум спектральної характеристики (рис.1.2) лежить у видимій області спектру. Сурм'яно-цезієві катоди більш стабільні і менше чутливі до перегрівів ніж киснево-цезієві. Проте вони більш чутливі до іонного бомбардування і працюють при понижених напругах на аноді. У сурм'яно-цезієвих фотоелементах спектральна віддача дорівнює 60 - 90 мкА/лм, досягаючи в газонаповнених фотоелементах величини 150-200 мкА/лм.