ЭМИТТЕР С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ СРОДСТВОМ Российский патент 2018 года по МПК H01J9/12 

Предлагаемое изобретение относится к области вакуумной эмиссионной электроники, к фотопреобразовательной технике и предназначено для применения в фотоэлектронных преобразователей в инфракрасном диапазоне спектра, в приборах ночного видения.

Известен фотоэмиттер, содержащий прозрачное окно, полупрозрачную полупроводниковую пленку, имеющий в составе атомы цезия [Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука. 1966. - 564 с.]. Известный фотоэмиттер имеет низкую чувствительность в целом и в том числе в инфракрасном диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является эмиттер с отрицательным электронным сродством для прибора инфракрасного диапазона, содержащий прозрачное окно, полупрозрачную полупроводниковую пленку из соединения А³В⁵, легированную р-типа, нанесенную на поверхность окна, слой атомов цезия и кислорода, нанесенный на поверхность полупроводниковой пленки [Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. - М.: Высшая школа, 1974. - 376 с. Заводская технологическая документация]. Известный эмиттер обладает малой работой выхода, создаваемой кислородно-цезиевым покрытием. Недостатком известного эмиттера является снижение эмиссионной способности с течением времени, вызываемым уходом атомов цезия с рабочей поверхности эмиттера, что снижает время жизни после изготовления и до монтажа в прибор, а также ресурс работы в приборе в процессе эксплуатации.

Техническое решение направлено на увеличение времени жизни в процессе изготовления прибора и в процессе эксплуатации прибора путем ограничения ухода цезия с поверхности.

Техническое решение достигается тем, что эмиттер с отрицательным электронным сродством для фотоэлектронного преобразователя инфракрасного диапазона, содержащий прозрачное окно, полупрозрачную полупроводниковую пленку из соединения А³В⁵, легированную р-типа, нанесенную на поверхность окна, слой атомов цезия и кислорода, нанесенный на поверхность полупроводниковой пленки, дополнительно содержит широкозонную полупроводниковую пленку, легированную n-типа, нанесенную на полупроводниковую пленку А³В⁵ в форме замкнутой полосы по периметру эмиттера шириной более 1 мкм и толщиной более 0.2 мкм.

На фигуре 1 приведена структурная схема эмиттера с отрицательным электронным сродством (ЭсОЭС).

На фигуре 2 приведена зонная схема контакта полупроводниковой пленки и широкозонного полупроводника.

Эмиттер с отрицательным электронным сродством (далее - эмиттер) содержит (фиг. 1) прозрачное окно 1, соединяемое вакуумноплотно с корпусом 2 фотоэлектронного преобразователя, полупрозрачную полупроводниковую пленку 3 из соединения А³В⁵, легированного примесями р-типа, нанесенную на поверхность окна 1, слой 4 атомов цезия и кислорода, нанесенный на поверхность полупроводниковой пленки 3, широкозонную полупроводниковую пленку 5, легированную n-типа, нанесенную на полупроводниковую пленку А³В⁵ 3 в форме полосы по периметру эмиттера шириной более 1 мкм и толщиной более 0.2 мкм и слой 6 цезия на поверхности пленки 5. Понятием «широкозонный» принято характеризовать полупроводник с широкой запрещенной зоной.

На зонной схеме (фиг. 2) контакта полупроводниковой пленки 3 (фиг. 1) из соединения А³В⁵, легированного примесями р-типа, и широкозонной полупроводниковой пленки 5, легированной n-типа, показаны энергетические уровни дна зоны проводимости пленки E_c1 (фиг. 2); акцепторные Е_А и верха валентной зоны E_v1 для пленки А³В⁵, а также уровни дна зоны проводимости пленки E_c2, донорные Е_Д и верха валентной зоны E_v2 для широкозонной пленки.

Эмиттер работает следующим образом. Фотоны инфракрасного излучения проникают через прозрачное для инфракрасного спектра окно 1 (фиг. 1), соединенного вакуумноплотно с корпусом 2 фотоэлектронного преобразователя, и попадают в полупроводниковую пленку А³В⁵ 3, в которой возбуждают свободные электроны. При длине свободного пробега больше толщины пленки 3 часть электронов, движущихся в сторону поверхности (к вакууму), достигают поверхности без потерь энергии. Кислородно-цезиевое покрытие 4 на поверхности пленки 3 содержит электрические диполи атомов Cs⁺ и О^-, а также диполи нейтральных адсорбированных атомов цезия. Диполи, ориентированные плюсом от поверхности к вакууму, снижают потенциальный барьер на границе с вакуумом. На поверхности покрытия 4 содержатся также хемосорбированные атомы Cs⁺, изменяющие электронную концентрацию поверхности, что сказывается на зонной схеме как искривление энергетических уровней, ведущее к снижению работы выхода. Диполи и искривление зон в сумме приводят к тому, что нулевой энергетический уровень Е₀ (фиг. 2) на поверхности оказывается ниже энергетического уровня дна зоны проводимости пленки в объеме E_{c1 об}. При этом алгебраически электронное сродство на поверхности оказывается отрицательным. Все возбужденные фотонами электроны, подходящие к поверхности, эмиттируются в вакуум, за исключением квантового барьерного отражения.

Сформированное кислородно-цезиевое покрытие 4 на поверхности полупроводниковой пленки 3 со временем теряет эмиссионную способность. Это время после изготовления эмиттера до монтажа в прибор исчисляется единицами-десятками минут, а в приборе определяет (в основном) срок службы прибора. В технологии имеются представления о высокой летучести атомов цезия. В открытой литературе вопрос не обсуждался. Поэтому эмиттер стремятся содержать в «атмосфере» паров цезия.

Наши эксперименты показали, что напыленные атомы цезия на поверхность арсенида галлия мигрируют при комнатной температуре на расстояние 10 мм за время 10 мин. Другие атомы активных эмиттерных материалов не мигрируют вовсе или мигрируют с несравнимо меньшей скоростью. Так, например, ступенька тория на вольфраме расползается на 0.5 микрона за сутки с последующим «замораживанием» миграции.

Из состояния и состава кислородно-цезиевого покрытия 4 (фиг. 1) следует, что хемосорбированные адионы цезия Cs⁺ на границе (на периферии) имеют некоторый градиент поверхностной концентрации, создающий силу расталкивания на ионы цезия, вытесняющую атомы цезия за пределы рабочей поверхности эмиттера. Такой же градиент испытывают валентные электроны цезия, перешедшие в свободную зону пленки 3. При этом расталкивающие силы значительно больше удерживающих сил.

Для: создания тормозящих сил целесообразно сформировать проводящую полупроводниковую пленку 5 с положительным потенциалом относительно полупроводниковой пленки эмиттера. Тогда положительные адатомы (адионы) цезия на границе пленок оказываются в тормозящем поле, и скорость миграции их уменьшится. В предлагаемом изобретении такая пленка напыляется на полупроводниковую пленку 3 эмиттера по контуру, по периметру. Материал пленки 5 выбирается из условия малой работы выхода и малой проводимости. Для этого используется широкозонный полупроводник, легированный донорами, что снижает работу выхода. Как правило, у широкозонных полупроводников ширина зоны проводимости меньше ширины зоны проводимости узкозонного полупроводника. Донорное легирование смещает уровень Ферми к дну зоны проводимости и снижает работу выхода. Поэтому работа выхода пленки эмиттера больше работы выхода широкозонной пленки, легированной донорами . При контакте напыленной широкозонной пленки 5 с пленкой эмиттера 3 уровни Ферми E_F пленок 3 и 5 выравниваются по отношению к нулевому уровню бесконечности и образуют единый электрохимический потенциал. Это происходит вследствие перехода электронов из широкозонного полупроводника 5 в полупроводниковую пленку 3 эмиттера. В результате нанесенная широкозонная полупроводниковая пленка 5 по периметру пленки 3 эмиттера оказывается заряженной положительно, а пленка 3 эмиттера - отрицательно. Образовавшийся потенциальный барьер на границе пленок 3 и 5 будет тормозить расталкивание атомов цезия с рабочей поверхности эмиттера. Атомы цезия с пленки 6 на поверхности широкозонной пленки 5 оказываются под действием притягивающей силы и будут переходить с широкозонной пленки на поверхность пленки 3 эмиттера. Таким образом, сформировав запас цезия на поверхности широкозонной пленки 5, можно восполнять убыль цезия, например, десорбцией.

Размеры широкозонной периферийной пленки 5 по толщине ограничиваются по минимуму 0.2 микрона предотвращением возникновения возможных квантоворазмерных эффектов, а по ширине возможностями технологического изготовления. Для формирования запаса цезия удобно ширину пленки 5 выбирать равной единицам миллиметров.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что в предлагаемом техническом решении уход цезия с рабочей поверхности эмиттера миграцией по поверхности за пределы рабочей поверхности ограничивается положительным, отталкивающим потенциальным барьером контакта разных полупроводников, а возможный уход цезия десорбцией восполняется миграцией с периферийной пленки 5 на рабочую поверхность пленок 3 и 4. Такое техническое решение может повысить службы эмиттера более чем на 10%.

Технико-экономическое обоснование на предлагаемое изобретение «Эмиттер с отрицательным электронным сродством», авторы: Волков С.С., Пузевич Н.Л., Демихов С.В., Николин С.В., Двойных К.Н.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить срок службы фотоэлектронного преобразователя за счет увеличения срока службы эмиттера. Увеличение времени жизни после изготовления до монтажа в прибор позволит более свободно планировать производственный процесс, что приводит к экономии средств. Увеличение срока службы эмиттера в приборе позволяет снизить себестоимость прибора в целом. Так как срок службы прибора определяется в основном сроком службы эмиттера, то увеличение срока службы на 10% позволит почти настолько же снизить себестоимость прибора в целом.

Использование: для применения в фотоэлектронных преобразователей в инфракрасном диапазоне спектра. Сущность изобретения заключается в том, что эмиттер с отрицательным электронным сродством для фотоэлектронного преобразователя инфракрасного диапазона, содержащий прозрачное окно, полупрозрачную полупроводниковую пленку из соединения A³B⁵, легированную р-типа, нанесенную на поверхность окна, слой атомов цезия и кислорода, нанесенный на поверхность полупроводниковой пленки, дополнительно содержит широкозонную полупроводниковую пленку, легированную n-типа, нанесенную на полупроводниковую пленку A³B⁵ в форме замкнутой полосы по периметру эмиттера шириной более 1 мкм и толщиной более 0.2 мкм. Технический результат: обеспечение возможности увеличения времени жизни в процессе изготовления прибора и в процессе эксплуатации прибора путем ограничения ухода цезия с поверхности. 2 ил.

Эмиттер с отрицательным электронным сродством для фотоэлектронного преобразователя инфракрасного диапазона, содержащий прозрачное окно, полупрозрачную полупроводниковую пленку из соединения А³В⁵, легированную p-типа, нанесенную на поверхность окна, слой атомов цезия и кислорода, нанесенный на поверхность полупроводниковой пленки, отличающийся тем, что дополнительно содержит широкозонную полупроводниковую пленку, легированную n-типа, нанесенную на полупроводниковую пленку А³В⁵ в форме замкнутой полосы по периметру эмиттера шириной более 1 мкм и толщиной более 0.2 мкм.