RU2569917C1

RU2569917C1 - Photocathode

Info

Publication number: RU2569917C1
Application number: RU2014140718/28A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Анатольевич Ильичев; Геннадий Сергеевич Рычков; Александр Евгеньевич Кулешов; Ринат Мухамедович Набиев; Юрий Алексеевич Климов; Борис Геннадьевич Потапов
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: disclosed is a photocathode made from a high-purity semiconductor, wherein an optical radiation detecting semiconductor layer is situated on an optical radiation-transparent substrate, the thickness (d) thereof is linked to the radiation absorption coefficient (α) by the relationship d≈(2-5)·α-1, an ohmic contact is made on the periphery of the layer, and on the front surface of the high-purity semiconductor there is a dielectric layer with a nanometre thickness and a receiving electrode, separated from the dielectric layer by a vacuum gap and made in the form of films of conducting material which is semi-transparent for optical radiation and a phosphor, consecutively deposited on the light-transparent substrate.

EFFECT: wider spectral sensitivity range of photocathodes with high homogeneity of spatial characteristics thereof and considerable simplification of the technology of manufacture compared to membrane and point structures.

2 dwg

Description

Известны фотокатоды из щелочно-галлоидных соединений (например, сурьмяно-цезиевые фотокатоды), фотокатоды на основе теллурида цезия, фотокатоды на основе р-типа арсенида галлия и арсенида галлия - арсенида алюминия, либо арсенида галлия - арсенида индия, а также фотокатоды на основе многослойных узкозонных полупроводниковых гетероструктур [1, 2]. К недостаткам указанных фотокатодов-аналогов относятся неудовлетворительная стабильность, связанная с возможной миграцией атомов цезия, относительно невысокие значения квантового выхода для «цезированных» металлических фотокатодов, низкая радиационная стойкость фотокатодов на основе полупроводниковых гомо- (гетеро-) эпитаксиальных структур и необходимость принудительного охлаждения устройств на основе узкозонных гетероструктур.Photocathodes from alkaline-galloid compounds (for example, antimony-cesium photocathodes), photocathodes based on cesium telluride, photocathodes based on p-type gallium arsenide and gallium arsenide - aluminum arsenide, or gallium arsenide - indium arsenide, and also photocathodes are known narrow-gap semiconductor heterostructures [1, 2]. The disadvantages of these analogous photocathodes include unsatisfactory stability associated with the possible migration of cesium atoms, relatively low values of the quantum yield for “cured” metal photocathodes, low radiation resistance of photocathodes based on semiconductor homo- (hetero-) epitaxial structures, and the need for forced cooling of devices with basis of narrow-gap heterostructures.

Известен фотокатод на основе широкозонных полупроводниковых соединений А₃B₅, не требующих принудительного охлаждения, способ изготовления которого включает следующую последовательность процедур: прогрев полупроводниковой пластины в вакууме ~10^-10 мм рт.ст. до 300°C в присутствии паров цезия в течение нескольких минут, затем обработку цезием и кислородом поочередно при комнатной температуре до прекращения роста фототока [3]. Однако полученный таким образом фотокатод оказывается недолговечным и с течением времени его чувствительность недопустимо уменьшается. Известная модификация способа изготовления такого фотокатода, процедуры активации которого включают многократную обработку фотокатода цезием, затем, одновременно, цезием и кислородом, прогрев фотокатода и повторную активацию [4], позволила несколько увеличить срок службы катода, однако спектральный диапазон его фоточувствительности остался столь же узким и покрывает лишь диапазон ~0,8…0,9 мкм.Known photocathode based on wide-gap semiconductor compounds A ₃ B ₅ that do not require forced cooling, the manufacturing method of which includes the following sequence of procedures: heating the semiconductor wafer in vacuum ~ 10 ^-10 mm RT.article up to 300 ° C in the presence of cesium vapors for several minutes, then treatment with cesium and oxygen alternately at room temperature until the photocurrent stops growing [3]. However, the photocathode obtained in this way is short-lived and its sensitivity unacceptably decreases over time. A known modification of the manufacturing method of such a photocathode, the activation procedures of which include repeated processing of the photocathode with cesium, then, simultaneously with cesium and oxygen, heating the photocathode and re-activation [4], allowed to slightly increase the cathode life, however, the spectral range of its photosensitivity remained equally narrow and covers only the range of ~ 0.8 ... 0.9 microns.

Известен фотокатод, выполненный на основе гетероструктуры, содержащей слой из алмаза p-типа проводимости с наноразмерными топологическими неоднородностями на его поверхности, отличающийся тем, что в качестве наноразмерных топологических неоднородностей использованы регулярно расположенные автоэмитирующие алмазные острия или нанокристаллиты алмаза, а поверхность слоя, за исключением указанных неоднородностей, покрыта проводящей аморфной углеродной либо нанокарбидной пленкой [5]. Указанный фотокатод позволяет расширить спектральный диапазон фоточувствительности, однако однородность эмиссионных характеристик в площади фотокатода неудовлетворительна, и пространственное разрешение использующего его приборов мало.A known photocathode made on the basis of a heterostructure containing a p-type diamond layer with nanoscale topological inhomogeneities on its surface, characterized in that regularly emitting diamond tips or diamond nanocrystallites are used as nanoscale topological inhomogeneities, and the layer surface, with the exception of these heterogeneity, covered with a conductive amorphous carbon or nanocarbide film [5]. This photocathode allows you to expand the spectral range of photosensitivity, however, the uniformity of the emission characteristics in the area of the photocathode is unsatisfactory, and the spatial resolution of the devices using it is small.

Задача настоящего изобретения - существенное расширение спектрального диапазона чувствительности фотокатодов при высокой однородности их пространственных характеристик и значительное упрощение технологии изготовления по сравнению с мембранными и острийными конструкциями.The objective of the present invention is a significant expansion of the spectral sensitivity range of photocathodes with high uniformity of their spatial characteristics and a significant simplification of manufacturing technology compared with membrane and tip structures.

Достигается поставленная цель тем, что в фотокатоде, выполненном из высокочистого полупроводника [3], регистрирующий оптическое излучение полупроводниковый слой расположен на прозрачной для оптического излучения подложке, его толщина (d) связана с коэффициентом поглощения излучения (α) соотношением d≈(2-5)·α^-1, омический контакт расположен по периферии слоя, а на лицевой поверхности высокочистого полупроводника расположен диэлектрический слой нанометровой толщины и приемный электрод, отделенный от диэлектрического слоя вакуумным промежутком и выполненный в виде пленок из проводящего полупрозрачного для оптического излучения материала и люминофора, последовательно нанесенных на прозрачную для света подложку.The goal is achieved by the fact that in the photocathode made of a high-purity semiconductor [3], the semiconductor layer detecting optical radiation is located on a substrate transparent to optical radiation, its thickness (d) is related to the radiation absorption coefficient (α) by the ratio d≈ (2-5 ) · Α ^-1 , the ohmic contact is located on the periphery of the layer, and on the front surface of the high-purity semiconductor there is a dielectric layer of nanometer thickness and a receiving electrode separated from the dielectric layer by a vacuum creepy and made in the form of films of a conductive material translucent for optical radiation and a phosphor, sequentially deposited on a transparent substrate for light.

Примером реализации заявляемой конструкции фотокатода может быть конструкция, в которой высокочистый полупроводник с диэлектрическим слоем наноразмерной толщины расположены на прозрачной (например, на полированной с двух сторон подложке сапфира) для оптического излучения подложке.An example of the implementation of the claimed design of the photocathode can be a design in which a high-purity semiconductor with a dielectric layer of nanoscale thickness is located on a transparent (for example, sapphire substrate polished on both sides) for optical radiation of the substrate.

Ниже представлено обоснование функциональной пригодности и эффективности предлагаемой конструкции. Рассмотрим процесс протекания тока в туннельно прозрачных барьерных конструкциях с учетом термоактивационной и туннельной компонент. Строго говоря, теория Фаулера и Нордгейма - это теория процесса автоэмиссии при температуре T=0 K. Однако, так как увеличение температуры меняет распределение электронов в эмитирующем (в том числе и фотоэмиттирующем) объекте, то выводы теории остаются качественно верны лишь при температурах, определяемых условием kT<<ϕ, где ϕ - работа выхода электрона. Для оценки характеристик транспорта тока при эмиттировании электронов в вакуум в широком диапазоне температур и полей необходимо проанализировать полное уравнение для плотности тока.Below is the rationale for the functional suitability and effectiveness of the proposed design. Consider the process of current flow in tunnel-transparent barrier structures, taking into account the thermal activation and tunnel components. Strictly speaking, the Fowler and Nordheim theory is a theory of the field emission process at a temperature T = 0 K. However, since an increase in temperature changes the distribution of electrons in an emitting (including photoemitting) object, the conclusions of the theory remain qualitatively correct only at temperatures determined by condition kT << ϕ, where ϕ is the electron work function. To evaluate the characteristics of current transport when emitting electrons into vacuum in a wide range of temperatures and fields, it is necessary to analyze the complete equation for the current density.

Известно выражение, для плотности туннельного тока с коэффициентом прозрачности барьера D(P_y), импульсом туннелирующих электронов в направлении приложения электрического поля (Р_у) и функцией их распределения по импульсу f_d(P):The expression is known for the density of the tunneling current with the transparency coefficient of the barrier D (P _y ), the momentum of the tunneling electrons in the direction of application of the electric field (P _y ) and the function of their momentum distribution f _d (P):

В нашей задаче приложение поля в одном из выделенных направлений (нормально к поверхности фотокатода) делает задачу одномерной, так как коэффициент прозрачности барьера (D) является экспоненциальной функцией поля и величина барьера в направлении поля резко уменьшается. Таким образом, в направлении поля в потенциальном барьере возникает его локальное понижение - «перевал», что и делает задачу транспорта через барьер с большой степенью точности одномерной. Можно показать, что в этом случае выражение для плотности тока в 3-мерном случае (1) эквивалентно переходит в выражение, определяемое одномерным интегралом:In our problem, applying the field in one of the selected directions (normal to the surface of the photocathode) makes the task one-dimensional, since the barrier transparency coefficient (D) is an exponential function of the field and the value of the barrier in the field direction decreases sharply. Thus, in the direction of the field in the potential barrier, its local decrease occurs - the “pass”, which makes the task of transport through the barrier with a high degree of accuracy one-dimensional. It can be shown that in this case the expression for the current density in the 3-dimensional case (1) equivalently passes into the expression determined by the one-dimensional integral:

В предположении, что для D(P_y) в области сильных полей справедливо выражение:Under the assumption that for D (P _y ) in the field of strong fields, the expression

в энергетическом представлении для плотности туннельного тока, получим следующее выражение:in the energy representation for the density of the tunneling current, we obtain the following expression:

где E_m - энергия, соответствующая контактной разности потенциалов, F - энергия электронов, E₀ - энергия Ферми, b₀ - диаметр острия, e - элементарный заряд электрона, T - абсолютная температура. ħ - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана.where E _m is the energy corresponding to the contact potential difference, F is the electron energy, E ₀ is the Fermi energy, b ₀ is the tip diameter, e is the elementary charge of the electron, T is the absolute temperature. ħ is the Planck constant, k is the Boltzmann constant.

Анализ выражения (4) проведем в приближениях «средних» и «сильных» полей.We will analyze expression (4) in the approximations of “medium” and “strong” fields.

Случай «средних» полей (E₀>F).The case of "average" fields (E ₀ > F).

Несложно заметить, что подынтегральная функция выражения (4) имеет острый максимум, расположенный вблизи некоторой энергии, Е₀, которую далее будем называть энергией перевала. Значит величина самого интеграла в первом приближении будет определяться величиной этой подынтегральной функции в окрестности этой энергии, E₀. Зависимость энергии перевала от приложенного напряжения (от поля) можно найти из условия существования максимума: первая производная подынтегральной функции по энергии равна нулю, а вторая производная - больше нуля. Из прорисовки подынтегральной функции уже следует, что имеем мы дело с максимумом (поэтому нет необходимости искать вторую производную). Из равенства нулю первой производной мы получаем следующую связь энергии доминирующих в транспорте электронов (энергии перевала), E₀, с напряжением:It is easy to see that the integrand of expression (4) has a sharp maximum located near some energy, E ₀ , which we will call the energy of the pass. Therefore, the value of the integral itself, to a first approximation, will be determined by the value of this integrand in the vicinity of this energy, E ₀ . The dependence of the energy of the pass on the applied voltage (on the field) can be found from the condition for the existence of a maximum: the first derivative of the integrand over the energy is zero, and the second derivative is greater than zero. From the drawing of the integrand, it already follows that we are dealing with a maximum (therefore, there is no need to look for a second derivative). From the equality of the first derivative to zero, we obtain the following relationship between the energy of the electrons that dominate the transport (energy of the pass), E ₀ , with voltage:

Так как функция, стоящая в интеграле под экспонентой, является аналитической, ее вторая производная конечна, а подынтегральная функция имеет острый максимум ~kT, то, полагая, что почти все приложенное напряжение падает на контакте (на области x~3·b₀ - доказательство корректности этого заключения следует из решения уравнения Лапласа), то для случая средних полей, пользуясь методом Лапласа, асимптотически сводим интеграл (4) к следующей функции:Since the function standing under the exponential in the integral is analytic, its second derivative is finite, and the integrand has an acute maximum of ~ kT, assuming that almost all the applied voltage drops at the contact (on the region x ~ 3 · b ₀ is the proof the correctness of this conclusion follows from the solution of the Laplace equation), then for the case of average fields, using the Laplace method, we asymptotically reduce integral (4) to the following function:

где

где связь между энергией перевала (E₀) и напряжением на структуре находим из условия максимума подинтегральной функции:Where

where the relationship between the energy of the pass (E ₀ ) and the voltage on the structure is found from the maximum condition of the integrand:

Случай «сильных» полей (E₀~F).The case of "strong" fields (E ₀ ~ F).

С увеличением напряжения величина E_m-E₀ растет и при (E_m-E₀)>(E_m-F), энергия перевала E₀ фиксируется непосредственно на уровне Ферми F металла и в дальнейшем практически не зависит от напряжения. В этом случае интеграл сводится практически к функции:With increasing voltage, the value of E _m -E _{0 also} increases at (E _m -E ₀ )> (E _m -F), the energy of the pass E ₀ is fixed directly at the Fermi level F of the metal and is then practically independent of voltage. In this case, the integral reduces practically to a function:

Так как E₀~F, то для напряжения, при котором энергия перевала совпадает с уровнем Ферми, аналогично предыдущему получаем:Since E ₀ ~ F, for the voltage at which the energy of the pass coincides with the Fermi level, we obtain similarly to the previous one:

Таким образом, для случая сильных полей E_m-F≈E_m, а E_m=e·Ф_k, напряжение на структуре V>Ф_k, а для плотности туннельного тока получаем:Thus, for the case of strong fields E _m -F≈E _m , and E _m = e · Ф _k , the voltage on the structure is V> Ф _k , and for the density of the tunneling current we obtain:

Так как в случае E₀~F доминирующим фактором процесса переноса заряда будет полевой фактор, то исходя из определения плотности тока, учитывая, что в подбарьерном транспорте принимать участие будут только ферми-электроны, а также учитывая фактор обострения поля вблизи острия наноконуса

и, как следствие, возможность образования вблизи острия, на расстоянии порядка радиуса его кривизны (L~b₀), области пространственного заряда, получаем выражение для плотности эмиссионного тока, имеющее для случая сильных полей окончательно вид:Since in case E₀~ F the field factor will be the dominant factor in the charge transfer process, based on the determination of the current density, given that only Fermi electrons will participate in the sub-barrier transport, and also taking into account the exacerbation factor fields near the tip of the nanocone

and, as a consequence, the possibility of formation near the tip, at a distance of the order of the radius of its curvature (L ~ b₀), the space charge region, we obtain the expression for the density of the emission current, which, for the case of strong fields, has the final form:

Как видим, в случае сильных полей оно практически идентично уравнению Фаулера - Нордгейма.As we see, in the case of strong fields it is almost identical to the Fowler - Nordheim equation.

Таким образом, согласно соотношению (5), изменяя напряжение вблизи катода, мы можем управлять энергией доминирующих в транспорте электронов, проникающих сквозь диэлектрический слой (туннельный барьер). Управляемое изменение коэффициента прозрачности барьера, а значит, и вероятности туннелирования электронов с энергией, соответствующей энергии квантов излучения, наблюдается вплоть до напряжения, по достижении которого энергия «перевала» фиксируется на уровне Ферми металла. Уровни равновесных («темновых»-автоэмиссионных) токов можно значительно уменьшить, слабо легируя высокочистый слой акцепторами. Разница между экспериментально определяемым туннельным током и расчетными значениями, полученными без учета «оптического» разогрева электронов (носителей тока) по энергии, дает возможность определения стационарного (неравновесного, но с учетом результатов термолизации неравновесных электронов) значения уровня Ферми в полупроводнике, а значит, позволит рассчитать концентрацию фотоэлектронов и соответственно фотонов.Thus, according to relation (5), by changing the voltage near the cathode, we can control the energy of electrons that dominate the transport and penetrate the dielectric layer (tunnel barrier). A controlled change in the transparency coefficient of the barrier, and hence the probability of tunneling electrons with energy corresponding to the energy of radiation quanta, is observed up to the voltage, upon reaching which the energy of the “pass” is fixed at the Fermi level of the metal. The levels of equilibrium ("dark" -emission) currents can be significantly reduced by weakly doping a high-purity layer with acceptors. The difference between the experimentally determined tunneling current and the calculated values obtained without taking into account the “optical” heating of electrons (current carriers) by energy makes it possible to determine the stationary (nonequilibrium, but taking into account the results of thermolization of nonequilibrium electrons) value of the Fermi level in the semiconductor, which means that calculate the concentration of photoelectrons and, accordingly, photons.

Для работы с таким туннельно-прозрачным фотокатодом предварительно, при отсутствии освещения фотокатода необходимо снять зависимость от напряжения фонового термоакивированного туннельного тока, т.е. прокалибровать фотокатод. Эта калибровка будет внесена в паспорт фотокатода и ЭОП, содержащего этот фотокатод. Далее, при расшифровке картины изображения необходимо будет программным образом вычитать из полученного изображения фоновое (по паспорту ФК) «изображение» (т.е. фоновый сигнал).To work with such a tunnel-transparent photocathode, first, in the absence of photocathode illumination, it is necessary to remove the voltage dependence of the background thermally activated tunnel current, i.e. calibrate the photocathode. This calibration will be entered in the passport of the photocathode and the image intensifier tube containing this photocathode. Further, when deciphering the picture of the image, it will be necessary to subtract from the received image the background image (according to the passport of the FC) “image” (ie the background signal).

Реализация Формулы изобретения представляется на фиг. 1. Конструкция широкодиапазонного туннельно-термоактивационного фотокатода представлена в виде многослойной приборной структуры в составе: высокочистого слоя полупроводника 1, расположенного на прозрачной для оптического излучения подложке 2 (например, подложке из сапфира); диэлектрического наноразмерной толщины слоя 3, расположенного на внешней поверхности высокочистого слоя полупроводника 1; омического контакта к слою полупроводника, расположенного на его периферии 4; приемного электрода 5, отделенного от диэлектрического слоя 3 вакуумным промежутком и выполненного в виде пленок из проводящего полупрозрачного для оптического излучения материала и люминофора, нанесенных последовательно друг на друга и на микроканальную кварцевую пластину передачи оптического изображения 6 (прозрачную для света подложку). Представленная конструкция может одинаково успешно работать в режимах «на прострел» и «на отражение». Уникальность заявляемой в Формуле изобретения конструкции фотокатода заключается в возможности управляемо менять область его фоточувствительности. Следует также обратить внимание на тот факт, что заявляемый фотокатод, дополненный широкодиапазонной оптикой, становится широко диапазонным приемником изображений ЭОП организации.The implementation of the claims is presented in FIG. 1. The design of a wide-range tunnel thermal activation photocathode is presented in the form of a multilayer instrument structure consisting of: a high-purity semiconductor layer 1 located on a transparent substrate 2 for optical radiation (for example, a sapphire substrate); dielectric nanoscale thickness of layer 3 located on the outer surface of the high-purity layer of semiconductor 1; ohmic contact to the semiconductor layer located on its periphery 4; the receiving electrode 5, separated from the dielectric layer 3 by a vacuum gap and made in the form of films of a conductive translucent material for optical radiation and a phosphor, deposited sequentially on top of each other and on a microchannel quartz transmission plate of the optical image 6 (transparent to light substrate). The presented design can equally successfully operate in the "lumbago" and "reflection" modes. The uniqueness of the design of the photocathode claimed in the Formula of the invention lies in the ability to controllably change the region of its photosensitivity. You should also pay attention to the fact that the inventive photocathode, supplemented by wide-range optics, becomes a wide-range image pickup device of the organization’s image intensifier.

На фиг. 2 представлена блок-схема такого широкодиапазонного фотоприемника (ЭОП организации). Конструкция ШДПИ включает: 2 - широкодиапазонный туннельно-термоактивационный фотокатод (схема «на прострел»), 3 - оптическое окно из MgF₂, через которое проникает световой поток (1) изображения объекта, 4 - картину изображения в фотоэлектронах, идентичную входному оптическому изображению, 5 - приемный электрод в составе люминофора и оптически прозрачного проводящего слоя, микроканальную кварцевую пластину передачи оптического изображения, 7, 8 - ускоряющие электроды, видеоматрицу IXL429 (SONY) 1/2 CCD (752×582). Конструкция обсуждаемого ЭОП может содержать ускоряющие электроды (поз. 7 и 8), а может обходиться и без них. В последнем случае, ускоряющий фотоэлектроны потенциал необходимо подавать на приемный электрод 5, и его величина будет определяться необходимостью реализовать возможность управляемого изменения напряженности электрического поля на диэлектрике в диапазоне напряженностей 5×10⁵…10⁵/см. Например, при вакуумном зазоре между диэлектрическим слоем фотокатода и плоскостью приемного электрода ~50 мкм, величина необходимого напряжения на управляющем (приемном) электроде составит ~10…15 кВ (поле вблизи электрода определяется как E≈U^*/d_d, где U^*- напряжение на расстоянии ~3 d_d от поверхности диэлектрической пленки, a d_d - толщина диэлектрика).In FIG. 2 shows a block diagram of such a wide-range photodetector (organization image intensifier tube). The design of the SDLI includes: 2 — a wide-range tunnel thermal activation photo cathode (“backache” scheme), 3 — an MgF ₂ optical window through which the light flux (1) of the object image penetrates, 4 — a picture of the image in photoelectrons identical to the input optical image, 5 - a receiving electrode consisting of a phosphor and an optically transparent conductive layer, a microchannel quartz plate for transmitting an optical image, 7, 8 - accelerating electrodes, IXL429 (SONY) 1/2 CCD (752 × 582) video matrix. The design of the discussed image intensifier tube may contain accelerating electrodes (items 7 and 8), or it can do without them. In the latter case, the potential accelerating the photoelectrons must be applied to the receiving electrode 5, and its value will be determined by the need to realize the possibility of a controlled change in the electric field strength on the dielectric in the range of strengths 5 × 10 ⁵ ... 10 ⁵ / cm. For example, with a vacuum gap between the dielectric layer of the photocathode and the plane of the receiving electrode ~ 50 μm, the required voltage at the control (receiving) electrode will be ~ 10 ... 15 kV (the field near the electrode is defined as E≈U ^* / d _d , where U ^* - voltage at a distance of ~ 3 d _d from the surface of the dielectric film, ad _d is the thickness of the dielectric).

Принцип действия заявляемого фотокатода основан на функциональной интеграции двух физических эффектов - внутреннего фотоэффекта и эффекта полевой стимуляции процесса фотоэмиссии электрона в вакуум. Неравновесные «горячие» электроны, рожденные в высокочистом полупроводнике 1 оптическим излучением, проходящим (фиг. 1) через прозрачную для него подложку, и забрасываемые в зону С (зону проводимости), имеют энергию, соответствующую энергии фотона и дрейфуют по полю в сторону диэлектрического слоя 3. В процессе дрейфа происходит частичная термолизация электронов (некоторое уменьшение температуры, энергии, электронов). При соответствующем выборе величины приложенного (см. фиг. 1) к приемному электроду 5 напряжения, либо к дополнительным ускоряющим электродам 7 и 8 в устройстве ЭОП - фиг. 2, энергия «перевала» (энергия доминирующих электронов 4, вышедших в вакуум через диэлектрический слой 3) будет соответствовать энергии фотона (за вычетом потерь на частичную термолизацию). Изменяя величину напряжения на приемном электроде, мы меняем положение энергии перевала, а значит, изменяем и энергию тех рожденных светом неравновесных электронов, которые вследствие полевой стимуляции величины барьера фотоэммитируют в вакуум. Прокалибровав (единожды) конкретный фотокатод по эталонному источнику излучения с известной длиной волны, изменяя напряжение на ближайшем к диэлектрическому слою 3 электроде (электроде 5, либо 7 и 8), можно применить заявляемый фотокатод для диагностирования спектрального состава оптического излучения, падающего на фотокатод, считывая в виде фотоэлектронов сигнал, пропорциональный энергии падающих квантов. Таким образом, при монотонном увеличении напряжении на приемном электроде 5 относительно подложки 1 фотокатода к процессу считывания будут подключаться фотоэлектроны, соответствующие излучению все более длинноволновой части спектра. Используя калибровочную кривую конкретного фотокатода для устройства (ЭОП) и программный продукт (устройство должно иметь цифровой выход, согласованный с ЭВМ-USB выход) можно будет восстановить спектральный состав падающего на фотокатод излучения; в структуре ЭОП такой фотокатод позволит зарегистрировать и идентифицировать двумерное цветное изображение. Таким образом, предлагаемое изобретение позволит осуществлять регистрацию оптического изображения в широком спектральном диапазоне длин волн, определять спектральный состав излучения, падающего на фотокатод и число фотонов (пропорционально интенсивности освещения).The principle of operation of the inventive photocathode is based on the functional integration of two physical effects - the internal photoelectric effect and the effect of field stimulation of the electron photoemission process in a vacuum. Nonequilibrium "hot" electrons generated in a high-purity semiconductor 1 by optical radiation passing (Fig. 1) through a substrate transparent to it and cast into zone C (conduction band) have an energy corresponding to the photon energy and drift along the field toward the dielectric layer 3. In the process of drift, partial thermolization of electrons occurs (a slight decrease in temperature, energy, and electrons). With the appropriate choice of the magnitude of the voltage applied (see FIG. 1) to the voltage receiving electrode 5, or to additional accelerating electrodes 7 and 8 in the image intensifier device, FIG. 2, the energy of the “pass” (energy of the dominant electrons 4 released into the vacuum through the dielectric layer 3) will correspond to the photon energy (minus the losses due to partial thermolysis). By changing the magnitude of the voltage at the receiving electrode, we change the position of the energy of the pass, and therefore, we change the energy of those nonequilibrium electrons generated by light, which, due to field stimulation, photoelectrically emit the barrier into vacuum. After calibrating (once) a specific photocathode against a reference radiation source with a known wavelength, changing the voltage at the electrode closest to the dielectric layer 3 (electrode 5, 7 or 8), you can apply the inventive photocathode to diagnose the spectral composition of the optical radiation incident on the photocathode, reading in the form of photoelectrons, a signal proportional to the energy of the incident quanta. Thus, with a monotonic increase in the voltage at the receiving electrode 5 relative to the substrate 1 of the photocathode, photoelectrons corresponding to the radiation of an increasingly longer wavelength part of the spectrum will be connected to the reading process. Using the calibration curve of a specific photocathode for the device (image intensifier tube) and a software product (the device must have a digital output compatible with a computer-USB output) it will be possible to restore the spectral composition of the radiation incident on the photocathode; in the structure of the image intensifier tube, such a photocathode will make it possible to register and identify a two-dimensional color image. Thus, the present invention will allow the registration of an optical image in a wide spectral range of wavelengths, determine the spectral composition of the radiation incident on the photocathode and the number of photons (in proportion to the light intensity).

Реализацию туннельного фотокатода как базового элемента широкодиапазонного фотоприемника можно выполнить, например, на основе использования структуры кремний на сапфире. При этом необходимо использовать подложки сапфира с двухсторонней полировкой. На подложке через переходные слои наноразмерной толщины формируется слой высокочистого кремния толщиной 0,5-1,0 мкм, слабо легированный акцепторами. На поверхности высокочистого слоя кремния формируется слой оксида кремния наноразмерной толщины. Свет в высокочистый слой кремния вводится сквозь прозрачную для излучения подложку, что устраняет необходимость в использовании прецизионного процесса вывешивания приемного слоя из высокочистого полупроводника со сформированным на его поверхности диэлектрическим слоем наноразмерной толщины, необходимого при изготовлении фотокатода мембранного типа.The implementation of the tunneling photocathode as the basic element of a wide-range photodetector can be performed, for example, based on the use of a silicon structure on sapphire. It is necessary to use double-polished sapphire substrates. A layer of high-purity silicon with a thickness of 0.5-1.0 μm, weakly doped with acceptors, is formed on the substrate through transition layers of nanoscale thickness. On the surface of a high-purity silicon layer, a nanosized thickness silicon oxide layer is formed. Light is introduced into a high-purity silicon layer through a radiation-transparent substrate, which eliminates the need for using the precision process of hanging the receiving layer from a high-purity semiconductor with a nanoscale thickness dielectric layer formed on its surface, which is necessary in the manufacture of a membrane-type photocathode.

Следует, однако, иметь в виду, что в данной конструкции, при реализации работы по схеме «на просвет», спектральная область прозрачности подложки ограничивает рабочий диапазон спектральной чувствительности фотокатода. Например, для структуры сапфир/высокочистый кремний/термический SiO₂ рабочая область спектра принимаемого излучения ограничена диапазоном спектральной прозрачности сапфира (λ_{гранич.}>0,20 мкм).However, it should be borne in mind that in this design, when implementing the work according to the “by transparency” scheme, the spectral region of transparency of the substrate limits the working range of the spectral sensitivity of the photocathode. For example, for the sapphire / high-purity silicon / thermal SiO ₂ structure, the working region of the spectrum of the received radiation is limited by the spectral transparency range of sapphire (λ _border > 0.20 μm).

Источники информацииInformation sources

[1]. Саликов В.А. Приборы ночного видения. // Специальная техника, 2000, №2, с. 40-48.[one]. Salikov V.A. Night-vision devices. // Special equipment, 2000, No. 2, p. 40-48.

[2]. Estera L., Sainer Т., at oth. // SPIE, 1994, v. 2551, p. 135-143.[2]. Estera L., Sainer T., at oth. // SPIE, 1994, v. 2551, p. 135-143.

[3]. Патент RU №2513662.[3]. Patent RU No. 2513662.

[4] Патент США, №3669735.[4] US Patent No. 3696735.

[5] Патент РФ, №2335031 - прототип.[5] RF patent, No. 2335031 - prototype.

Claims

Фотокатод из высокочистого полупроводника, отличающийся тем, что регистрирующий оптическое излучение слой полупроводника расположен на прозрачной для оптического излучения подложке, его толщина (d) связана с коэффициентом поглощения излучения (α) соотношением d≈(2-5)·α^-1, омический контакт выполнен по периферии слоя, а на лицевой поверхности высокочистого полупроводника расположен диэлектрический слой нанометровой толщины и приемный электрод, отделенный от диэлектрического слоя вакуумным промежутком и выполненный в виде пленок из проводящего полупрозрачного для оптического излучения материала и люминофора, последовательно нанесенных на прозрачную для света подложку. A photocathode made of a high-purity semiconductor, characterized in that the semiconductor layer detecting optical radiation is located on a substrate transparent to optical radiation, its thickness (d) is related to the radiation absorption coefficient (α) by the ratio d≈ (2-5) · α ^-1 , ohmic contact made on the periphery of the layer, and on the front surface of the high-purity semiconductor there is a dielectric layer of nanometer thickness and a receiving electrode separated from the dielectric layer by a vacuum gap and made in the form of films from leading translucent for optical radiation material and phosphor, sequentially deposited on a transparent substrate for light.