Квантовый выход связан со спектральной чувствительностью фотокатода соотношением

S > = - = = Y

Коэффициент пропорциональности между спектральной чувствительностью и квантовым выходом зависит от частоты падающего потока излучения.

Уход эмиттированных электронов из фотокатода должен компенсироваться притоком электронов от источника питания прибора, поэтому необходимо, чтобы материал фотокатода обладал проводимостью. Этому условию удовлетворяют металлы и полупроводники.

Металлические фотокатоды имеют значительный коэффициент отражения и большую фотоэлектронную работу выхода, их пороговая частота 10 соответствует излучению УФюбласти спектра. Значительная часть возбужденных фотонами электронов теряет приобретенную энергию при движении к поверхности. Квантовый выход металлических фотокатодов в ближней УФюбласти спектра не превьшгает 0,01, поэтому они имеют малое практическое применение.

Широкое распространение получили полупроводниковые фотокатоды, характеризующиеся значительно меньшим коэффициентом отражения, чем металлы, сравнительно малым значением работы выхода, вследствие чего их порог фотоэффекта лежит в видимой и ближней ИКюбластях спектра. В полупроводниках потери энергии оптически возбужденными электронами при движении к поверхности существенно ниже, чем в металлах. Квантовый выход полупроводниковых фотокатодов может приближаться к теоретическому пределу.

На рис. 12.1 представлены энергетические диаграммы собственного, электронного и дырочного полупроводников. Независимо от типа проводимости фотоэлектронная работа выхода полупроводников с малой концентрацией примеси равна сумме ширины запрещенной зоны и энергии электронного сродства Wp, которая равна интервалу энергий между уровнем вакуума и дном зоны проводимости W.

hvo = AW + Wp. (12.1)

Вероятность фотозмиссии электронов с примесных уровней ничтожно мала в связи с малой концентрацией атомов примеси по сравнению с концентрацией электронов в валентной зоне.

Термоэлектронная работа выхода еро в полупроводниках зависит от типа проводимости. Наибольшего значения она достигает у полупроводников с дырочным типом проводимости. Термоэлектронная работа выхода определяет значение тока термоэлектронной эмиссии материала (см. § 2.2). Этот ток является компонентой темпового тока фотокатода, от которого зависит пороговый поток фотоэлектронного прибора.

Рис. 12.1. Энергетические диаграммы собственного (г), слаболегированных электронного (и) и дырочного (р) полупроводников при Г = О К

Дырочные полупроводники, применяемые для большинства фотокатодов, имеют меньшее значение тока термоэлектронной элтессии, чем собственные и электронные полупроводники.

К важным параметрам фотокатодов относится интегральная чувствительность, в частности световая чувствительность. Основной характеристикой, определяющей назначение фотокатода, является спектральная характеристика.

К эксплуатационным параметрам фотокатодов относятся нестабильность чувствительности во времени (утомление) и нестабильность при хранении (старение).

12.2. ТИПЫ ФОТОКАТОДОВ

Фотокатод электровакуумного фотоэлектронного прибора представляет собой тонкую пленку полупроводникового материала, нанесенную на часть внзпренней поверхности прозрачного баллона прибора либо на металлическую пластину, являющуюся подложкой для фоточувсгви-тельного слоя. Фотокатоды бьшают двух типов: массивные и полупрозрачные. Массивные фотокатоды имеют толщину не более десятых долей микрона. Поток излучения попадает на фотокатод со стороны эмиттирующей поверхности, обращенной в вакуум баллона (фронтальное освещение).

Полупрозрачные фотокатоды толщиной 20-30 нм облучаются со стороны стекла (тьшовое освещение). Поток излучения попадает на

Рис. 12.2. Фотокатод на зеркальной подложке:

1 - фоточувствительный слой; 2 - зеркальная подложка; 3 - стекло баллона

Рис. 12.3. Пример использования явления полного внутреннего отражения в фотокатоде:

1 - призма; 2 - оптическое окно баллона; 3 - фотокатод

одну сторону тонкой пленки фотокатода, а эмиссия происходит с другой стороны в вакуум. Полупрозрачные фотокатоды находят в фотоэлектронных приборах более широкое применение, чем массивные.

Одним из основных требований, предъявляемых к фотокатодам, является максимальное поглощение излучения на таком расстоянии от змиттирующей поверхности, при котором значительная часть возбужденных фотонами электронов может достигнуть поверхности, сохранив энергию, достаточную для выхода в вакуум. Поэтому чувствительность полупрозрачных фотокатодов зависит от их толщины. Малая толщина фотокатода позволяет значительной части падающего потока излучения проходить насквозь. При слишком большой толщине поглощение фотонов будет происходить вблизи стеклянной подложки фоточувствительного слоя и значительная часть возбужденных электронов может потерять энергию, приобретенную при взаимодействии с фотонами, не достигнув поверхности. Для каждого типа полупрозрачных фотокатодрв существует оптимальная толщина, при которой квантовый выход будет иметь максимальное значение.

Существует много способов повьпиения чувствительности фотокатодов. Оптические способы заключаются в повышении эффективности поглощения излучения в фоточувствительном слое, т. е. увеличении чувствительности за счет более полного использования падающего потока излучения. Одним из таких способов является использование в массивных фотокатодах зеркальной отражающей излучение подложки (рис. 12.2). Толщина чувствительного слоя в этом случае приблизительно в 2 раза меньше обычной. Поток излучения, прошедший через фотокатод, отражается от зеркальной подложки и проходит еще раз чувствительный слой. Таким образом, получается, что процесс поглощения происходит в слое двойной толщины по отношению к реаль-