Исследование квантового выхода ИК-фотокатодов в импульсном режиме

  • Докладчик: Курташ В. А.
  • Тема: Исследование квантового выхода ИК-фотокатодов в импульсном режиме.
  • Организация: АО «ЦНИИ «Электрон»

Гибридные приборы, чувствительные в ИК ближнем спектральном диапазоне, представляют большой интерес с точки зрения возможности их использования совместно с импульсным лазером с длиной волны λ = 1,55 мкм. Данная длина волны является относительно безопасной для человеческого зрения [1].

В структуре фотокатода гибридного прибора в качестве слоя поглотителя фотонов выступает слой In0,53Ga0,47As, выращенный на подложке InP. На слое поглотителя выращивается эмиттерный слой InP, на поверхности которого формируется управляющий электрод [2]. На управляющий электрод подается положительное напряжение смещения относительно подложки, обеспечивающее перенос фотоэлектронов из слоя поглотителя в эмиттер.

Целью работы является проведение исследований влияния режимов импульсной подачи напряжения смещения и ускоряющего напряжения между фотокатодом и ЭЧППЗ на квантовый выход ИК-фотокатода, а также сравнение его со значением, полученным при статических измерениях квантового выхода, т. е. при постоянных напряжениях.

Было выявлено, что при работе в статическом режиме с увеличением напряжения смещения фототок выходит в насыщение (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость темнового тока и фототока от величины напряжения смещения, подаваемого на управляющий электрод в статическом режиме
Рисунок 1 – Зависимость темнового тока и фототока от величины напряжения смещения, подаваемого на управляющий электрод в статическом режиме

С увеличением напряжения смещения растет фототок, что приводит к увеличению квантового выхода фотокатода. Однако, повышение напряжения смещения в статическом режиме более 3 В оказалось невозможным, ввиду экспоненциального роста темнового тока. При этом фототок выходит в насыщение. Предположительно работа прибора в импульсном режиме подачи смещения позволяет достигать большего квантового выхода, благодаря возможности подачи больших Uсм на управляющий электрод. Такая возможность обусловлена малой длительностью импульса смещения, которая ограничивает заряд, протекающий через фотокатод. Таким образом не происходит запирания фототока темновым током за малый промежуток времени.

Для проверки данной гипотезы были произведены измерения в импульсном режиме при условиях, указанных в таблице 1. Измерения уровня сигнала с фотокатода с использованием фильтров с различными коэффициентами пропускания показали, что при рабочих облученностях порядка 10-4 Вт/см2 изменение сигнала в зависимости от величины облученности можно считать линейным в пределах погрешности. В таком случае, несмотря на то, что рабочие облученности E отличаются для различных режимов, что вызвано использованием различных источников излучения, погрешность влияния изменения величины облученности на квантовый выход будет минимальна. Таким образом, в условиях данного эксперимента величина квантового выхода фотокатода будет определяться только напряжением смещения Uсм, подаваемым на управляющий электрод.

Таблица 1 –Параметры, при которых проводились измерения квантового выхода

 

Параметр

Статический режим

Импульсный режим (рисунок 3, а)

Импульсный режим (рисунок 3, б)

Источник излучения

монохроматор

ДМР-4

светодиод Mitsubishi ML725C8F

светодиод Mitsubishi ML725C8F

Длина волны λ, нм

1310

1310

1310

Ускоряющее напряжение Uфк

-1 кВ

-1 кВ

-1 кВ

Напряжение смещения на управляющем электроде Uсм

3 В

3 В

3.5 В

Длительность импульса смещения tсм

3 мкс

700 мкс

Длительность импульса излучения tсвет

5 мс

5 мс

Частота f

25 Гц

25 Гц

Сопротивление нагрузки Rнагр

1 кОм

1 кОм

1 кОм

Облученность Е, Вт/см2

5·10-4

1·10-4

1·10-4

 

Фотокатод освещался импульсами излучения прямоугольной формы длительностью tсвет. С задержкой 4 мс от начала импульса излучения подавался импульс смещения прямоугольной формы длительностью tсм. Так как длительность импульса излучения на порядок больше длительности импульса смещения, то засветку можно считать постоянной. Частота следования обоих импульсов установлена 25 Гц. С ростом частоты следования импульсов был замечен спад амплитуды сигнала, регистрируемого с фотокатода (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость амплитуды сигнала U, регистрируемого с фотокатода при подаче импульсного смещения на управляющий электрод, от частоты следования импульсов f
Рисунок 2 – Зависимость амплитуды сигнала U, регистрируемого с фотокатода при подаче импульсного смещения на управляющий электрод, от частоты следования импульсов f

Обнаружено, что форма сигнала, регистрируемого с фотокатода не совпадает с формой импульса смещения. С началом подачи импульса смещения амплитуда сигнала, регистрируемого с фотокатода, постепенно растет до максимального значения (время нарастания переднего фронта сигнала τнар = 600 мкс) и постепенно спадает до нуля после окончания подачи импульса смещения (время спада заднего фронта сигнала τспад = 80 мкс; рисунок 3).

Рисунок 3 – Осциллограмма сигнала с фотокатода при работе в импульсном режиме подачи смещения на управляющий электрод
Рисунок 3 – Осциллограмма сигнала с фотокатода при работе в импульсном режиме подачи смещения на управляющий электрод

а) Uсм = 3 В (масштаб по оси Х: 1 мс на деление; по оси Y: 1 мВ на деление);

б) Uсм = 3,5 В (масштаб по оси Х: 100 мкс на деление; по оси Y: 2 мВ на деление)

Квантовый выход определялся как отношение числа вышедших в вакуум электронов к числу падавших на фотокатод фотонов:

 
Квантовый выход

Где Y — квантовый выход, %;  Ne – число зарегистрированных электронов; Nf – число падавших на катод фотонов. Квантовый выход фотокатода в статическом режиме подачи напряжения смещения на управляющий электрод определяется формулой:

напряжения смещения на управляющий электрод

где I – фототок, А; монохроматический лучистый поток F, Вт; λ – длина волны, нм; S – площадь облучения фотокатода, м2.

Для определения квантового выхода в импульсном режиме подачи напряжения смещения на управляющий электрод необходимо провести численное интегрирование сигнала, зарегистрированного с фотокатода, по времени, которое даст заряд Q. Зная этот заряд можно найти число вышедших электронов: 

число вышедших электронов

где Q – заряд, Кл; e – единичный заряд электрона, Кл; N – число интервалов, на которые разбита длительность импульса t;  – амплитуда сигнала, регистрируемая на осциллографе в точке с индексом n.

Число падавших фотонов можно вычислить из соотношения: 

Число падавших фотонов можно вычислить из соотношения:

где tсм  – длительность импульса смещения, с; Whv – энергия кванта света, Дж. Подставив полученные выражения в уравнение (1) получим выражение для расчета квантового выхода фотокатода при подаче импульсного смещения на управляющий электрод:

квантового выхода фотокатода при подаче импульсного смещения на управляющий электрод

При сравнении квантового выхода в статическом режиме и импульсном режиме (рисунок 3, а), когда на управляющий электрод подается одинаковое напряжение смещения Uсм = 3 В, получено отношение Yимп/Yстат = 0,6. То есть квантовый выход при работе в импульсном режиме оказывается меньше, чем при работе в статическом при подаче одинакового напряжения смещения, что обусловлено наличием большого времени нарастания фронта сигнала. Однако, при повышении напряжения смещения до 3,5 В, квантовый выход фотокатода в импульсном режиме Yимп превосходит в 1,9 раз квантовый выход в статическом режиме при смещении 3 В. При этом в статическом режиме дальнейшее увеличение напряжение смещения не приводит к увеличению фототока. Это является показателем эффективности импульсного режима подачи напряжения смещения на управляющий электрод.

Таким образом, главное достоинство работы в импульсном режиме заключается в возможности подачи большего напряжения смещения на управляющий электрод Uсм, (благодаря ограничению заряда, проходящего через структуру фотокатода при малой длительности импульсов).

Уменьшение времени нарастания фронта приведет к увеличению заряда, протекающего через структуру фотокатода за то же время tсм, что позволит увеличить квантовый выход в импульсном режиме работы. Этого возможно достичь путем уменьшения собственной емкости структуры фотокатода, а также использованием импульсной подачи ускоряющего напряжения Uфк между фотокатодом и ЭЧППЗ при подаче постоянного напряжения смещения на управляющий электрод. Таким образом, благодаря последовательному включению с емкостью структуры фотокатода малой емкости вакуумного промежутка, удастся снизить суммарную емкость на два порядка, что приведет к уменьшению времени нарастания фронта сигнала.

На данный момент начаты эксперименты по подаче импульсного ускоряющего напряжения (пока Uфк = -20 В) между фотокатодом и ЭЧППЗ. Первые результаты подтверждают возможность значительного уменьшения времен нарастания и спада фронтов. В дальнейшем требуется создание измерительной схемы, позволяющей подавать Uфк в импульсном режиме, а также сравнения квантового выхода с уже полученными результатами.

Список использованных источников

  1. Н.И. Гусарова, Н.Ф. Кощавцев, С.В. Попов / Преимущества использования твердотельных фотоприемных устройств на область спектра 1,4–1,7 мкм в приборах ночного видения // Успехи прикладной физики. – 2014. – Том 2, №3. – С. 288 – 292.
  2. М. Р. Айнбунд, И. С. Васильев, Е. Г. Вилькин [и др.] / Новые фотокатоды УФ- и ИК-диапазонов для перспективных фотоприемных устройств // Прикладная физика. – 2006. – №4. – С. 97 – 101. 

Айнбунд Михаил Рувимович

АО «ЦНИИ «Электрон»

Вопрос:

  1. Что известно об имп. режимах, используемых заруб. фирмами в ИК гибридных приборах?
  2. Почему вы не воспроизвели имп. режимы, подобные зарубежным?
  3. Почему ограничились импульсным напряжения между фотокатодом и ЭЧППЗ всего 20 В, тогда как работаете с кВ?

Курташ В. А.

Ответ:

      1. Данные о параметрах импульсного режима аналогичных гибридных приборов, производимых зарубежными фирмами, крайне ограничены и в основном не выкладываются в открытый доступ. Фирмами, разрабатывающими и производящими такие гибридные приборы являются Intevac, Inc. (США) и Hamamatsu Photonics (Япония). Приборы, разработанные компанией Intevac, используются совместно с лазерной подсветкой частотой 25 Гц. Длительность импульсов составляет порядка десятка наносекунд.
      2. Импульсный режим работы, описанный в данном докладе, по возможности максимально приближен к режиму работы прибора фирмы Intevac, однако разрабатываемые нами гибридные приборы пока не обладают достаточным быстродействием, для реализации импульсного режима подачи напряжения смещения с длительностями импульсов, аналогичными режиму работы прибора фирмы Intevac. Для увеличение быстродействия требуется уменьшить общую емкость прибора. Предполагается, что повышение быстродействия может быть достигнуто при подаче импульсного ускоряющего напряжения между фотокатодом и ЭЧППЗ. Это может быть проверено в ходе экспериментов, которые уже начаты. Кроме того, планируются исследования структуры ИК-фотокатодов на предмет возможности уменьшения емкости самой структуры (за счет уменьшения барьерной и диффузионной емкости гетеропереходов в структуре).
      3. На данный момент величина импульсного ускоряющего напряжения между фотокатодом и ЭЧППЗ составляет 20 В, в то время как при статической подаче ускоряющего напряжения эта величина составляет порядка нескольких киловольт. Это обусловлено необходимостью внесения изменений в измерительный стенд, используемый для проведения исследований, а также отсутствием требуемой аппаратуры. В первую очередь необходим импульсный источник питания, который уже поставлен в заявку на второй квартал 2020 года. Дальнейшие исследования сигналов, регистрируемых с фотокатода при подаче импульсного ускоряющего напряжения, будут продолжены как только в наличии будет иметься требуемая аппаратура.

Нестеров Игорь Анатольевич

АО «НПП «Элар»

Вопрос:

  1. Не приятная для восприятия нумерация формул, первая с номером, остальные как попало.
  2. Плохо описаны переменные в формулах, не полно, например, в формуле с логичным номером 2, но который не пронумерован, описывающий Yстат, не понятно, что означает переменная E, также не понятно откуда взят поправочный коэффициент 1239? Если вы приводите формулы, нумерация должна быть сквозной, все переменные и коэффициенты четко описаны.
  3. Начните эксперименты по повышению квантовой эффективности фотокатода, с точки зрения, исследования зависимости чувствительности фотокатода от температуры прогрева перед активировкой цезием-кислородом. 4. Начните эксперименты по повышению чистоты поверхности фотокатода перед активировкой цезием-кислородом, ваши проблемы с подачей импульсного напряжения смещения в половине случаев решатся сами собой.

Курташ В. А.

Ответ:

      1. В данном докладе использована нумерация только для формулы, на которую в дальнейшем идет ссылка.
      2. Как Вы верно заметили, переменная E не описана после формулы. Это вызвано тем, что она была введена ранее в таблице 1 (облученность E, Вт/см^2). Коэффициент 1239, использованный в формулах, является произведением приведенной постоянной Планка на скорость света hc = 1239 (эВ*мкм).
      3. Эксперименты по исследованию температуры прогрева перед активировкой поверхности планируется проводить в дальнейшем. Безусловно, в рамках этих экспериментов будут предприняты попытки повышения чистоты поверхности фотокатода.

Зубков Василий Иванович

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вопрос:

С одной стороны, фотоэлектроны будут рождаться только во время приложенного импульса смещения. Это существенно снизит общее количество фотоэлектронов, достигших матрицу ЭЧППЗ. С другой стороны, сама матрица собирает заряд в течение кадра, который тоже длится определенное время. Какие могут быть здесь решения по оптимизации эффективности гибридного прибора в целом?

Курташ В. А.

Ответ:

Время накопления кадра ЭЧППЗ составляет 40 мс, при этом существует возможность его изменения при необходимости для совмещения по длительности с длительностью импульсов напряжения смещения, подаваемых на управляющий электрод. Наиболее оптимальные параметры будут достигнуты при одинаковой частоте накопления кадров ЭЧППЗ, что достигается регулированием задержки между кадрами, а также одинаковой длительностью импульса смещения и длительностью накопления кадра.

Так как рассмотрение взаимодействия фотокатода и ЭЧППЗ при работе в импульсном режиме не являлось целью данной работы, в которой исследовался лишь один из ключевых узлов ИК-гибридного прибора, больше информации возможно будет получить при проведении дальнейших экспериментов по работе в импульсном режиме подачи напряжения смещения.

На нашем сайте мы используем Сookies, которые помогают нам оптимизировать ваш пользовательский опыт. Продолжая работу на сайте, вы соглашаетесь с обработкой нами полученных данных. Подробнее… 

/** */