CONTRIBUTION A L'OPTIMISATION DES PHOTOCATHODES TRIALCALINES SEMI-TRANSPARENTES

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Submitted on 1 Jan 1973

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CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION DES PHOTOCATHODES TRIALCALINES

SEMI-TRANSPARENTES

G. Eschard, P. Dolizy

To cite this version:

G. Eschard, P. Dolizy. CONTRIBUTION A L’OPTIMISATION DES PHOTOCATHODES TRIAL- CALINES SEMI-TRANSPARENTES. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C6), pp.C6-61-C6-63.

�10.1051/jphyscol:1973614�. �jpa-00215335�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C6, s~ppiément au tzO 1 1-1 2 , Tome 34, Novembre-Décembre 1973, page C6-61

CONTRIBUTION A L90PTIiMISATION

DES PHOTOCATHODE S TRIALCALINE S SEMI-TRAN SPARENTES

G. E S C H A R D et P. DOLIZY

Laboratoire d'électronique et de physique appliquée, 94450 Limeil-Brévannes, France

Résumé. - Dans la plupart des dispositifs utilisant des photoémetteurs, le rendement quantique de la photocathode détermine les performances ultimes du système. Nous examinons ici les photo- cathodes multialcalines du type (SbNaîK, Cs). Des sensibilités photoélectriques de 220 pA/lm ont été obtenues avec des photocathodes de 300 A d'épaisseur. Dans ce cas le rendement quanti- que vrai atteint 50 % pour une radiation incidente 1.comprise entre 400 et 550A. Pour des couches plus épaisses (1 200 A) on a pu obtenir des photocathodes semi-transparentes beaucoup plus sensibles allant jusqu'à 705 pA/lm.

Abstract. - In most of the photoelectric tubes the radiant sensitivity of the photoemissive layer determines the ultimate performances of the system. In this paper we consider the multialcaline (SbNarK, Cs) photocathodes. Considering a photoemissive layer 300 A thick, it is possible to obtain 220 liA/lm. In this case the actual photoelectric yield reaches 50 "/, for a wavelength 2. of incident light between 400 and 550 nm. With a thicker photocathode (1 200 A) we have obtained a much better sensitivity which is 705 pA/lm in semi transparent mode.

Dans la plupart des dispositifs utilisant des photo- émetteurs le rendement quantique de la photocathode mesuré en fonction d e la longueur d'onde de la radia- tion incidente détermine les performances ultimes du système. 11 est alors clair que l'étude d'un photoémet- teur conduit à trouver des moyens technologiques pour optimiser le rendement quantique dans un domaine spectral bien déterminé.

Depuis d e nombreuses années des travaux impor- tants ont été réalisés dans le doinaine d e la photo- émission, on pourra en trouver une revue dans I'ou- vrage d e Sommer ('!:). Les pliotocatliodes qui utilisent des semi-cond~icteurs n~onocristallins sont largement étudiées un peu partout dans le monde et étendent le champ d'applications des photoéinette~irs conven- tionnels d u type S. Cependant, dans le domaine spectral visible et le proche infrarouge, les plioto- cathodes évaporées trialcalines semi-transparentes pré- sentent des performances photoélectriq~ies assez remarq~iables.

Les couches du type SbNa,lC, Cs dont l'épaisseur est comprise entre 250

A

et 300

A

( S 20) ont des sensibilités photoélectriques moyennes de 180 pA/lin (Fig. 1). A propos de ces couclies il est intéressant de faire deux remarques essentielles. La prennière obser- vation concerne la valeiir absolue des rendements quantiques d'une telle couche mesurée en transinis- sion et en réflexion. O n constate que le rendement quantique mesuré en réflexion est inférieur à celui mesuré en transmission. Ce résultat s'expliqrie bien

(*) SOMMER (A. H.) Pliotoemissive rnaterials, Ne\! Yoi-k.

Wiley, 5 1968.

Substrat de photocathode

Frc. 1. - Co~irbe rkponse spectrale d'une couche photoélec- trique mince. (Epaisseur de la couche 300 A). Sensibilité en

ti-ansmission 220 pA/lrn.

du point de vue optique en tenant compte des inter- férences de la lumière à l'intérieur de la couche mince.

Le second point porte sur la valeur du rendement quantique par rapport au nombre d e photons absor- bés dans la photocathode. Pour des longueurs d'onde, comprises entre 400 nîm et 550 m m le rendement électron par photons absorbés peut atteindre 50 %.

La sensibilité d'une telle couche est 220 pA/lin (Fig. 2).

L'aspect optiq~ie dans l'étude de ces photoémetteurs apparaît conime essentiel [Il. Cependant i l faut so~ili- gner que certaines impuretés introduites dans la couche

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973614

C6-62 G. ESCHARD ET P. DOLIZY

Frc. 2. - Rendement (électron/photon absorbé) d'une couche photoélectrique trialcaline mince en fonction de la radiation

incidente. (Epaisseiir de la couche 300 A).

peuvent abaisser son rendement photoélectrique par un facteur supérieur à 10 sans modifier de façon notable ses caractéristiques optiques. De tels effets peuvent être observés expérimentalement et mis en évidence par spectrométrie Auger. Enfin, en fonction de la cellule à vide et du processus de formation de la photocathode utilisés on peut obtenir des courbes réponses spectrales différentes tant sur la position

O 200 400 600 800 (O00

FIG. 3. - P O L I V O ~ ~ réflecteur en fonction de l'épaisseur d'une photocathode déposée sui- une lame de verre d'indice 11' = 1,s et pour différentes valeurs (11, k ) de la couche photoélectrique

(1. de la radiation incidente = 5 000 11).

du seuil photoélectrique que sur la valeur maximum de la sensibilité énergétique.

De nombreuses couches photoélectriques trialca- lines semi-transparentes ont été réalisées au Labora- toire d7Electronique et de Physique appliquée. L'étude a porté sur des photocathodes dont l'épaisseur est comprise entre 200

A

et 1 500

A.

Dans l'état actuel de la cellule utilisée, des conditions de propreté obte- nues et du processus de formation employé, il apparaît que la sensibilité de la couclle n-iesurée en lumière blanche est optimisée pour ilne épaisseur de l'ordre de 1 200

A.

L'épaisseur de la couche est estimée à partir de la mesure du pouvoir réflecteur de la couche (Fig. 3) en fonction de I'épaisseur au cours de sa fabrication. La sensibilité photoélectrique mesurée sur une surface de 12 cm2 est en moyenne de 450 pA/lm avec une sensibilité énergétique de 25 mA/W à 850 nm (Fig. 4). Ces photocathodes sont, en général, bien homogènes et la variation de rendement entre deux zones distinctes n'excède pas 20

%.

Le pouvoir photo- émetteur de ces couches est stable dans leur temps

Fie. 4. - Courbe réponse spectrale moyenne de photocathodes type S. Sensibilité (en transmission) 450 pA/lrn.

et le courant d'obscurité est de IO-'' A/cin2 à la température ambiante. La sensibilité maximale (Fig. 5) enregistrée sur une surface de 0,5 cm2 est de 705 pA/lm avec une sensibilité énergétique de 55 mA/W à 850 nm.

Le rendement photoélectrique mesuré par rapport à la lumière absorbée dans la couche est sensiblement constant pour des radiations incidentes comprises entre 400 et 800 nin.

CONTRIBUTION A L'OPTIMISATION DES PHOTOCATHODES TRIALCALINES C6-63

FIG. 5. - Courbe réponse spectrale d'une photocathode type S. Sensibilité (en transmission) 705 liA/lrn.

II est encore trop tôt pour aller plus loin dans la description des résultats expériinentaux. La complexité même de ce type de photoémetteur en rend l'étude extrêmement difficile et on ne dispose pas de modèle théorique permettant de rendre compte qiiantitative- ment des mesures effectuées sur les très nombreuses variantes de cette famille. Cependant, si on admet la possibilité d'avoir un rendement, électrons par photons absorbés, de 50 "/, pour des radiations incidentes comprises entre 400 nin et 800 nin (Fig. 6), avec une photocathode de 1 200

A

d'épaisseur, on eii déduit qu'il serait possible d'obtenir une sensibilité de 1 300 pA/lm. Cette valeur de sensibilité n'est pas une limite supérieure compte tenu que le seuil photo-

100

90 Verre (n.t,S) Photocothode (n, k )

FIG. 6. - Absorption de lumière en fonction de l'épaisseur de la couche photoélectriq~ie pour différentes radiations inci-

den tes.

électrique n'est pas fixé. En outre, on peut reniarquer que lorsque le seuil photoélectrique recule vers les grandes longueurs d'ondes, la pente de la courbe réponse spectrale de la photocathode auginente au voisinage du se~iil. Cette observation peut-elle conduire i la possibilité d'obtenir avec ce type de photocathode Lin matériau à affinité électronique négative ? Des mesures physiques concernant l'optique de la couche, les imp~iretés qu'elle contient, sa composition stœchio- métriqiie et sa structure cristalline sont indispensables pour optiniiser son pouvoir photoémetteur. De noin- breiix progrès sont nécessaires pour améliorer les conditions de réalisations pratiques des photoca- t h d e s . C'est le but recherché actuellement au Labo- ratoire d'Electronique et de Physique appliquée pour pouvoir appliquer au domaine industriel les résultats obtenus au laboratoire.

Bibliographie

[ I l CHABRIER, G., DOLIZY, P., ESCHARD, G., GOUDONNET, J. P., VERNIER, P., Acta Electro?zica 16 (1973) 203-210.