Фотокатод для инфракрасной области спектра

Фотокатод для инфракрасной области спектра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к эмиссионной электронике, и может быть использовано при производстве фотокатодов . Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фотокатода за край собственного поглощения полупроводника. Фотокатод для инфракрасной области спектра, с внешним электрическим смещением, содержит многослойную полупроводниковую структуру с p-n-переходом со слабо легированным эмиттиругощим р-слоем, на поверхность которого нанесена пленка металла и снижающее работу выхода покрытие. Полупроводниковая структура выполнена в виде гомо-р-п-пергхода, п-слой которого легирован до п 2 10 см. Между п-слоем и миттируюшим р-слоем может быть введен сильно легированный р-слой с концентрацией дырок 10 р Ј 101 см , снабженный электрическим выводом. Катод позволяет осуществить вторично-эмиссионное умножение первичного тока с помощью динодов или микроканальных пластин . Подобное усиление с малым фактором шума пригодно как для токовой регистрации сигнала, так и для преобразования Изображения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с 9 сд i

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕаЪБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТОЕННЫЙ НОМИТЕТ

IlQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 23,05,93 Бюл. М 19

{ 21 ) 4649901/21 . (22) 14.02.89 (72) Я. А. OK(ìàí, И, Я, !1армур, А. М. Тютиков, А. И. Броэдниченко, М. Т. Новицкий, С. Ц.. Ашмонтас . и Г. P. Трейдерис (56) Берковский А. Г. и др ° Вакуумные фотоэлектронные приборы, Радио и связь, 1988, с. 170-174.

Лифшиц Т. М. и др. ЭФфективные фотоэмиттеры с отрицательным электронным средством. В сб.. Проблемы современной радиотехники и электроники/

Под ред. В. Д. Котельникова.- М.: Наука, 1987, с, 214-215, {54) ФОТОКАТОД ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛА-.

СТИ СПЕКТРА (57) Изобретение относится к электронной технике, в частности к эмиссионной электронике, и может быть использовано при производстве фотокатодов„ Целью изобретения является расширение спектрального диапазона фатоИзобретение относится к эмиссионной электронике и оптоэлектронике и может быть использовано в фотоэмиссионных приборах (ФЭУ и ЭОП), предназначенных для инфракрасного (ИК) излучения .с длиной волны более 2 мкм.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона Фотока тода за край собственного поглощения полупроводника.

Фотокатод для ИК-области спектра с внешним электрическим смещением

„.,ЯО„„Ц72Ы Л1 (51)5 Н 01 .! 1/34 катода за край собственного поглоще ния полупроводника, Фотокатод дпя инфракрасной области спектра, с внешним электрическим смещением, содержит многослойную полупроводнйковую струк" туру с р-и-переходом со слабо легиро- ванным эмиттирующим р-слоем, на поверхность которого нанесена пленка металла и снижающее работу выхода покрытие. Полупроводниковая структура выполнена в виде гомо-р-п-перехода, п-слой которого легирован до и 0 ! в р 10 см . Pemy rr-ñëîårr è эмиттирующим р-слоем может быть введен сильно легированный р-слой с концентрапи«т 1В ей дырок 10 о. р I O см, снабженный электрическим выводом. Катод позволяет осуществить вторично-эмиссионное умножение первичного тока с помощью дннодов или микроканальных пластин. Подобное усиление с малым фактором шума пригодно как для токовой регистрации сигнала, так и для преобразования изображения. 1 з.п. ф-лы

3 ил, выполнен в виде гомо-р-и-перехода у которого на поверхность слабо легированного эмиттирующего р-слоя нанесены пленка металла и покрытие, снижающее работу выхода, а п-слой сильно легирован (обозначается и ). Гомо-р-и-net реход представляет собой контакт между областями с разной провочн»остью

В одном и том же полун! оволниKо °

Сильное легированис и — слоя о нечает

-э концентрации osiers r r r .rrnr Го:re О (п ) 10 1 см ) . Верхний нре:rr л кон1579322 це»»» р»цп»»» электронов ограничивается лишь максимальным достижимым пределом легирования,. который, в свою очередь, зависит от максимальной растворимости

J донорных примесей в используемом попупрс «однике. Сильное пегирование и -слс я необходимо дпя эффектив»»ого по»пощения ИК-излучения свободными носителями заряда. Как показал экспе1Ь римент, при и ) 10 см в гомо-р+

-и -переходах возбуждается ИК-излучением внутренняя фотоэмиссия, на чем . и основано предлагаемое устройство.

При и ) 10 см коэффициент поглощения на.свободных электронах в средней и дальней ИК-области может достигать нескольких сотен и даже тысяч обратных сантиметров, При освещении фотокатода со стороны р-слоя толщина и -слоя 1„, в »»ринципе, может быть лю4 бо»». При освещении фотокатода со стороны и -слоя толщина последнего не

+ долж»»а превышать глубину т»рои»»кновегв»я света. Указанная величина тем 25 меньше, чем больше концентрация электронов. В сильно. легированных полупроводниках глубина проникновения света может составлять единицы и доли микрона. Кроме того наиболее эффективная эмиссия при освещении фото1»атода со стороны и -слоя будет иметь место в том случае, когда 1 в+ не превышает длину свободного пробега горячих (фотовозбужденных) электронов, так как они должны с минимальными потерями энергии достигать потенциальноro барьера р-n+"ïåðåõoäa. Длина свободного пробега горячих электронов .(длина остывания) в таких попупровод- 40 никах,Kafka кремний, арсенид галлия, достигает сотен ангстрем, а в твердых

3 s растворах полупроводников A В доходит до 1000 R. В сильно легированных полупроводниках она, как правило, не превосходит глубину проникновения света.

Тонкий п -слой может быть нанесен на

». слабо легированную подложку, прозрачную для ИК-излучения. Змиттирующий» слой выполнен слабо легированным для того, чтобы при приложении внешнего

50 н в электрического смещения разогреть неравновесные фотоэлектроны, Концентрация дырок в g-слое должна быть менее !0 — 10 см . Толщина р-слоя не должна превышать диффузионную дли- ну электронов, которая обычно составляет величину в несколькох микрон.На р-слой нанесена пленка металла — серебра тонц»и»»ой» сто-двести ангстрем.

На пленку металла нанесено покрытие, снижающее работу выхода, например

Cs-О. Структура снабжена двумя эпектрическими выводами — от пленки ме+. тапла и от и -слои для подачи внешнего смещения, 4

В фотокатоде межлу и -слоем и спаболегированиым эмиттирующим р-споем может быть введен сильно легированный р -слой с концентрацией дырок 10

». 17

10 см (10 + р 10 см ), снаб»8 5 »7 18 -3 женный электрическим выводом, Концентрация дырок в этом слое не должна

»»» -3 превь»шать -10 см во избежание появления туннельных токов между и и

+ + р -слоями. Сильно легированный р слой предназначен для контролируемого

+ распределения напряжения между р

+ и -переходом и диодом Шотки, образованным р-слоем и пленкой металпа. При этом используются два источника питания, Такая конструкция дает возможность порознь управлять спектрапь»»ь м порогом 1» эффекти»»ностью фотоэмиссни в ИК-области. При освещении фотокато+ да со стороны и -слоя суммарная топ.ф. щина р — и р-слоев 1 р» + 1 не цопжP на превышать диффузионную д»ш»»у электронов, Кроме того, при освещении фото" катода со стороны спабопегированного эмиттирующего р-слоя толщина сильно легированного слоя 1р».не должна преI

Вьш»ать глубину проникчовения HK-излучения, Работа фотокатода происходит спев дукщим образом.

Регистрируемое ИК-»»зпучение с энергией кванта меньше ширины за»»рещенной» зоны полупроводника поглощается свободными электронами в сильно легиро-ванном n4 — слое, сообщая им энергию, равную энергии фотона. Разогретые светом носители движутся к р-и -пере»ходу и те нз ннх, энергия Ko Topblx достаточна дпя преодоления потенциального барьера, переходят в р-слой. Таким образом, в рассматриваемом случае внутренней фотоэмиссии высота потенциального барьера гомоперехода, задаваемая прямым смещением, определяет диапазон длин волн регистрируемого излучения. Че»» больше длина волны ИКизлучения, тем меньше должна быгь высота потенциального барьера н, соозветстве»»»»о, тем больше должно быть прямое смещение. Персй»ц»» H р -спо»», 5 157932 электроны ускоряются в нем полем на столько, что свободно преодолевают тонкую пленку металла и покрытие, .снижающее работу выхода, и выходят в вакуум.

Прикладываемое к гомопереходу прямое смещение в конструкции (фиг. 1, 2) распределяется между обллстью объемного разряда, снижая высоту барьера на р-n -переходе, и диодом Шотки металл — слабо.лагированный р-спой, обуславливая наличие греющего носителя поля в р-слое.

1 l5

В конструкции (фиг. 3) для коггтролируемого в проЦессе работы распреде-.

t ления указанного напряжения между и и р-слоями введен сильно легированный р+-слой. При этом можно осуществить выбор оптимальндго соотношения между .высотой барьера и величиной поля, ускоряющего электроны. Эти факторы оп.ределяют спектральный диапазон фотоэмиссии и ее эффективность. Сечение поглощения на свободчых электронах можно считать пропорциональным квадра-. ту длины волны; таким образом, с уве« личением длины волны ИК-излучения при соответствующем увеличении прямо- 30

ro смещения не должно происходить уменьшения квантового выхода фотоэмиссии. Фотокатод может работать в ближней, средней и дальней ИК-областях.

Существенными отличиями изобрете ния являются новая совокупность конструктивных элементов, находящихся в во взаимосвязи друг с другом, и взаимное расположение элементов устройства.

На фиг. 1 изображена структура фо; токатода по п, 1 формулы, на фиг. 2

1-.

его зонная схема (здесь и — сильно легированный и-слой толщиной 1„+, p --. . слабо легиро.ванный эмиттирующнй р-слой толщиной 1р, Ме пленка металла, П вЂ” покрытие, снижающее работу выхода; LÁ " источник питания); на фиг. 3 - конструкция фотоклтода по 50 п. 2 формулы (здесь р — сильно легированный р-слой толщиной 1 +; U1 и U> источники питлния для подачи смещения на р -и -переход и диод Нотки металл р-слой-р -слой). 55

Действие фотокатода основано на возбуждении внутренней фотоэмиссии в

HK-области в гомо-р-и-переходе с сильно легированным и-сл ем. Экспери2 6, ментально. доказ,ано существование вну тренней фотоэмиссии в ИК-области в различных гомо-р-и-переходах е силь» но легированными и-слоями. Исследовались, в. частности, арсенид-галлиевые гомо-р-и г-переходы с концентрацией „ ах 10 : электронов в п-области s пределах 1 !

О о см . Концентрация дырок а подм15 ложклх $-òènà варьировалась от I0 до w 10 см . В качестве источников излучения .были использованы. непрерывный и импульсный CO--лазеры с длиной и волны 10,6 мкм и энергией кванта

0,117 эВ, что значительно мейьше ширины запрещенной эоны арсенида галлия. Модуляция непрерывного лазерного излучения в диапазоне частот О,1

10 .кГц осуществлялась с помощью злек

Ф трооптического модулятора. Длительность импульса излучения импульсного лазера по полуширине составляла

I00 нс. Излучение направлялось на и-область гомоперехода. Регистрировались величина и форма напряжения, создаваемого фотоинжекционным током на сопротивлении нагрузки в цепи гомоперехада. У всех Исследовавшихся гомо-р-п-.переходов фотоответ бып зарегистрирован на.образцах с концентраци" лв -3 ей электронов в и-слое порядка 10 см ,и выше в условиях, когда высота потенциального барьера, регулируемая прямым смещением, становилась примерно равной или меньшей энергии кванта

0,117 эВ. Так, при температуре жидкого азота фотоответ у арсенид-галлневых р-п -переходов возникал, когда

+ величина прямого смещения превышала

1,38 эВ: Полярность фотоотяета соответствовала переходу электронов из п -слоя в р-слой. Форма гротоответа повторяла форму лазерноro импульса, что свидетельствует о малой инерционности возникающего фотоинжекционного тока. Описанные измерения доказывают наличие внутренней фотоэмиссии в гомо-р-п -переходах, спектральный порог которой определяется высотой по тенциального барьера, Использование предлагаемого изобретения позволит распрострлннть спектральный диапазон Йотозмнсснн за край собственного поглощения полупроводника не менее чем до lO-15 мкм. Фотокатод сравнительно прост по конструкции и может быть изготовлен из тлких широко применяемых млтериллов, клк лр1519322 сенид галлия и твердые растворы полупроводников А В . В предложенной кон.струкции концентрация электронов в

4отоактивном и -слое может быть дрве+ дена до л 10 см", что необходимо для высокой эффективности фотоэмйссни, При этом регистрация излучения может производитЬся с высоким быстродействием и проетрайствеиныи разреие- 1л нием. Предлагаемый фотокатод позволяет осуществить вторично-эмиссионное умножение первичного тока с помощью динодов или микроканальиык пластин.

Подобное усиление. с иалнм фактором шума пригодно как для токовоЮ регист

Рации сигнала, так и для преобразования изображения.

Формула изобретения

1 Фотокатод для пифракрасиой об- 20 ласти спектра, с виещиим злектричес ° ким смещением, содержащий многослойную полупроводниковую структуру с р-ипереходом со слабо легированным эмиттирукщнм р-слоем, на tloBppxHocTh ко- торого Нанесена пленка металла и снижающее работу выхода покрытие, о тл и ч а в шийся тем, что, с целью расширения спектрального диапазона ФотоказФда за край собственного погиощеиня полупроводннка, полупроводниковая структура выполнена в виде гомо- р-п-перехода, и-слой которого ле-3 легирован до и 10 Э. см .

2. @отокатод no n, 1, о т л ич а и щ и и h я тем, что между п- слоем и эмиФтирукщим р-слоем введен сильно легирдванний р-слой с коэицентрацией дырок 10 Ф р g 1О см, снабженный электрическим выводом, 1579322

tip

Vuz3

И1

Составитель h. Чубун

Редактор Н, Каменская Техред Л,Олийнык Корректор Н. Ревская

Заказ 1978

Лодписиое

ТИпаж

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Лроизводственно-издательский комбинат "Латент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101