Лекция 29 . Электровакуумные фотоэлементы.

1. Внутренний фотоэффект.

Работа различных полупроводниковых приёмников излучения (фото-резисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводнике происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электропроводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводи-мости. У металлов явление  фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна          () и не может заметно возрасти под действием излучения. В некоторых приборах за счёт фотогенерации электронов и дырок возни-кает ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике обра-зуются фотоны и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.

2. Внешний фотоэффект.

  Внешний фотоэффект представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Электромагнитный электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом), а испускаемые им электроны – фотоэлектронами.

  Рассмотрим законы и характерные особенности фотоэлектронной эмиссии.

                              А) Закон Столетова.

  Фототок , возникающий за счёт фотоэлектронной эмиссии, пропор-ционален световому потоку Ф.

                                      = S∙ Ф                                                         (11.1)

                     где S – чувствительность фотокатода (мкА/Люм).

  Если поток Ф монохромотичен, т.е. содержит лучи только одной длины волны λ, то чувствительность называют монохромотичной и обозначают . Чувствительность к потоку «белого» (немонохромотичес-кого) света, состоящего из лучей с разной длиной волны, называют интегральной и обозначают .

  Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S = f(λ) называется спектральной характеристикой  и может быть двух видов (рис. 11.1). Кривая 1 соответствует нормальному

                  

   Рис. 11.1. Спектральные характеристики фотокатода.

фотоэффекту, который наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2 получается   при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов из особо обрабо-танных щелочных металлов

                                     Б) Закон Эйнштейна.

  При внешнем фотоэффекте энергия фотона (ℏυ)  превращается в работу выхода и в кинетическую энергию вылетевшего электрона:

                                ℏυ =  + 0,5 m                                                 (11.2)

                       где m и V – масса и скорость фотоэлектрона

                               υ – частота излучения

                                  ℏ – постоянная Планка равная 6,63 ∙  Дж ∙ с

  Закон Эйнштейна говорит о том, что энергия фотона ℏυ передаётся электрону, который затрачивает на выход из фотокатода энергию а разность ℏυ -  – энергия вылетевшего электрона.

                В) Красная или длинноволновая граница.

  Для внешнего фотоэффекта существует красная или длинноволновая граница. Если уменьшать частоту излучения υ, то при некоторой частоте фотоэлектронная эмиссия прекращается, так как на этой частоте    ℏ∙  = и энергия фотоэлектрона становится равной нулю. Частота соответствует длине волны  = , где с = 3 ∙ . При υ или λ фотоэлектронной эмиссии не может быть, так как ℏ∙ υ  ℏ∙ , т.е. энергии фотона недостаточно даже для совершения работы выхода.

                                       Г) Инерционность.

  Для фотоэффекта характерна малая инерционность, фототок запаз-дывает по отношению к излучению всего лишь не несколько наносекунд

 Необходимо отметить, что чувствительность со временем постепенно уменьшается, т.е. наблюдается явление «усталости» фотокатода.

 

3. Электровакуумные фотоэлементы.

  Электровакуумный фотоэлемент представляет собой диод, у которого она внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесён фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод (рис. 11.2). В электровакуумных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных - находится инертный газ (аргон) под давлением в несколько сотен Паскалей. Катоды обычно применяются сурьмяно-цезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

 Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками:

А) Анодная характеристика электронного фотоэлемента  = f () при Ф = const показана на рис. 10.3. На рисунке виден резко выражен-ный режим насыщения.

                             

Рис. 11.2. Конструкция электровакуумного фотоэлемента.

      

                            

Рис. 11.3. Анодная характеристика электровакуумного фотоэлемента.

  У ионных фотоэлементов  такие характеристики (рис. 11.4.) идут сначала также как и у электровакуумных фотоэлементов, но при даль-нейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа фототок значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления (5 ÷ 12).

Б) Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлементов, т.е. зависимость  = f (Ф) при  = const показаны  на рис. 11.5.

В ) Частотные характеристики фотоэлементов показаны на рис. 11.6. Электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни МГц, а ионные (кривая 2) проявляют инерционность и чувствительность их уменьшается на частотах в единицы кГц.

 

                       

Рис. 11.4. Анодная характеристика ионного фотоэлемента.

.

                              

Рис. 11.5. Энергетические характеристики электронного (1)  и ионного (2) фотоэлементов.

   

         Основные электрические параметры фотоэлементов:

- чувствительность электровакуумных фотоэлементов достигает десятков, а у ионных фотоэлементов достигает сотен

- темновой ток – это ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода. Наличие этого тока ограничивает применение фотоэлементов при очень слабых световых сигналах.                            

                

Рис. 11.6. Частотные характеристики электронного (1)  и ионного (2) фотоэлементов.           

   На рис. 11.7 показана схема включения фотоэлемента и его условное графическое обозначение.

       

              Рис. 11.7. Схема включения фотоэлемента 

 

                  4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

  ФЭУ представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством усиления фототока, за счёт вторичной электронной эмиссии.

  Принцип работы ФЭУ показан рис. 11.8.

  Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направ-

           

            Рис. 11.8. Устройство и принцип работы ФЭУ.

 

ляются на ,  называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно является вторично-электронным эмиттером. Динод делается с сильной вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны выбивают из вторичные электроны, число которых в раз больше числа первичных электронов. Таким образом, ток вторичных электронов с  = σ . Ток направляется на , имеющий больший потенциал. На  за счёт вторичной эмиссии появляется ток , который в σ раз больше , т.е.  = . В свою очередь направляется на , у которого потенциал ещё выше и от этого динода течёт ток  = и т.д.

С  последнего динода  электрический ток направляется на анод и тогда  = . Таким образом,  =  равняется нескольким миллионам.

  Основные параметры ФЭУ:

- область спектральной чувствительности S (диапазон λ) составляет 200 ÷ 600 нм.

- число ступеней X достигает 20 и более.

-   общий  составляет несколько миллионов.

- напряжение питания – находится в пределах 800 ÷ 1500 В.

- интегральная чувствительность  – 20 ÷ 50 мкА/Лм.

 - темновой  ток – (1 ÷ 8) ˖ А.

  ФЭУ обладают малой инерционностью и высокой чувствительнос-тью, поэтому они применяются в астрономии, фототелеграфии, телеви-дении и других областях.

На рис. 11.9 приведено графическое изображение ФЭУ и схема его включения.

   На рис. 11.10 приведена зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ.

 

                   

                     Рис. 11.9. Схема включения ФЭУ.

 

Рис. 11.10. Зависимость коэффициента усиления тока и интегральной чувствительности от напряжения питания ФЭУ.

 

  ЛЕКЦИИ 30. ДИСПЛЕИ, ОПТРОНЫ.