Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів

СОДЕРЖАНИЕ: Роль фотоелектронних приладів у сучасній техніці і в наукових дослідженнях, їх інтенсивний розвиток. Характеристика фотоелектричних приладів, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм, вид робочого середовища.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційної техніки

Кафедра прикладної фізики

Комплексна курсова робота

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Суми 2009

Зміст

Вступ

1. Фізичні основи фотоефекту

1.1 Види фотоефекту. Фотоелектронна емісія

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

2. Основні типи фотоелектронних приладів

2.1 Фотоелементи

2.2 Фотоелектронні помножувачі

Висновки

Література

Вступ

Досить важлива роль, яку фотоелектронні прилади відіграють у сучасній техніці і в наукових дослідженнях, визначила їхній інтенсивний розвиток, що почався в тридцятих роках двадцятого сторіччя і безупинно триває в зростаючому темпі аж до теперішнього часу. В останні роки в цій області досягнуть ряд істотних успіхів. Створено нові фотокатоди як для видимої області спектра, так і для ультрафіолетової. Зявилися нові види фотоелектронних помножувачів, що відрізняються високими значеннями експлуатаційних параметрів.

Фотоелектричними приладаминазивають електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

По виду робочого середовища фотоелектричні прилади можна поділити на електровакуумні (електронні та іонні) і напівпровідникові. По типу фотоелектричного ефекту, що лежить в основі дії приладу, розрізняють:

– фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п- структурах (напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори).

1. Фізичні основи фотоефекту

1.1 Види фотоефекту

Фотоелектронним приладомназивають електронний прилад, призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну. Принцип дії цих приладів заснований на зміні електричних властивостей речовин під дією падаючих на неї випромінювання, зокрема видимого світла. Фотоелектронні прилади поділяються на електровакуумні і напівпровідникові.

Вплив світла на електричні властивості речовини називається фотоефектом. Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект.

Зовнішній фотоефект – це фотоелектронна емісія, тобто випускання електронів з поверхні речовини під дією енергії падаючого світла; на цьому заснований принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів – фотоелементів і фотопомноживачів.

Внутрішнній фотоефект може бути двох видів: фоторезистивний ефект – зменшення електричного опору напівпровідника під дією падаючого світла; фотогальванічний ефект – виникнення на р-п переході під дією падаючого світла різниці потенціалів. На внутрішньому фотоефекті заснований принцип дії напівпровідникових фотоелектронних приладів.

Фотоефект виникає внаслідок зміни енергетичного стану вільних електронів у металі, а також атомів у кристалі напівпровідника при поглинанні енергії випромінювань. Енергія оптичного випромінювання виділяється й поглинається квантами – фотонами, і поширюється у вигляді хвиль, як електромагнітні коливання. При поглинанні фотонів валентними електронами один електрон може поглинути тільки один фотон. За рахунок цього його енергія стрибкоподібно збільшується.

Принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів заснований, як було сказано, на фотоелектронній емісії.

Для виходу електрона з фотокатода у вакуум необхідно, щоб електрон, що мав всередині катода максимальну енергію W, поглинув енергію фотона не меншу, ніж робота виходу електрона для даної речовини. Відповідно до квантової теорії, енергія кванта, у цьому випадку фотона, прямо пропорційна частоті випромінювання:

Wкв = h, (1.1)

де h – постійна Планка;

n – частота випромінювання.

Частота n обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання :

n = с\ (1.2)

Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилі випромінювання:

Wкв = hc\, (1.3)

де с – швидкість світла.

Наприклад, короткохвильове випромінювання, що відповідає фіолетовим променям видимого спектра з довжиною хвилі = 0,38 мкм, несе енергію фотона 3,25 ев, а довгохвильові червоні промені з = 0,76 мкм – енергію фотона 1,6 ев.

Мінімальна частота nо, при якій можлива фотоелектронна емісія, називається порогом фотоелектронної емісії. Їй відповідає довжина хвилі о. Її величину для даної речовини можна знайти з умови рівності енергії фотона та роботи виходу:

Wкв = Wo (1.4)

Підставивши сюди значення Wo = ejo; Wкв = ho та о = с\o отримаємо

ho = ejo, (1.5)

звідси

o = ejo\h та о = hc\ ejo, (1.6)

де h, c та е (заряд електронна) – постійні;

jo – робота виходу в електрон – вольтах, яка залежить від матеріалу фотокатода.

Для одержання фотоелектронної емісії в більше широкій області видимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу.

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

Найпростішим електровакуумним приладом, що перетворить оптичний сигнал в електричний, є фотоелемент. Він має два електроди: фотокатод та анод. На анод подається постійна позитивна напруга щодо катода. Емітовані з фотокатода електрони рухаються до анода, створюючи в ланцюзі фотострум Iф.

Закони Столетова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії.

Закон Столетова: величина фотоструму прямо пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінній спектральній составі світла:

Iф = SФ, (1.7)

де Ф – світловий потік у люменах;

S – коефіцієнт пропорційності, називаємий чутливістю фотокатода та вимірюваний в мікроамперах на люмен.

Закон Столетова ґрунтується на квантовій теорії: більший світловий потік несе в одиницю часу більше фотонів, отже, більше число електронів може за цей час поглинути по одному фотоні та вийти з фотокатода у вакуум. Цей закон відображається світловою характеристикою (рис. 1.1, а) :

Рис. 1.1 – Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в)

Світлова характеристика– це залежність фотоструму від світлового потоку при постійній спектральній составі світла та незмінній анодній напрузі:

Iф = f(Ф) при Ua = const (1.8)

Вона являє собою пряму лінію, що виходить із початку координат; її нахил залежить від чутливості фотокатода.

Закон Ейнштейна: максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів з фотокатода, лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого світла та не залежить від його інтенсивності.

Оскільки різниця енергії фотона та роботи виходу перетворюється в кінетичну енергію електрона, то закон Ейнштейна виражається рівнянням:

mv\2 = Wкв – Wo, (1.9)

де mv\2 – кінетична енергія електрона.

Підставивши в рівняння Wкв та Wo, отримаємо:

mv\2= h – ejo (1.10)

Це рівняння визначає лінійну залежність кінетичної енергії електрона від частоти випромінювання ; інші його елементи – постійні для даної речовини.

Максимальною кінетичною енергією будуть володіти ті електрони, які всередині фотокатода мали максимальну внутрішню енергію Wi. При W_KB = Wo кінетична енергія електрона, що вилетів, дорівнює нулю, а при Wкв Wo фотоелектронна емісія неможлива.

Закону Ейнштейна підкоряється фотоелектронна емісія із чистих металів порівняно більшої товщини. Таку емісію називають нормальною. Однак ці фотокатоди не знайшли застосування через велику роботу виходу, при якій не можна одержати емісію при опроміненні їх видимою частиною спектра. У фотоелементах і фотопомножувачах використають складні тонкоплівкові катоди, наприклад сурмяно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронною емісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра.

Чутливість – основний параметр фотоелектронного приладу. Розрізняють інтегральну (світлову) і спектральну чутливість.

Інтегральна чутливість– це чутливість фотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світловому потоку. Вона визначається як фотострум, викликуваний загальним світловим потоком в 1 люмен:

S = Iф\ Ф (1.11)

Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світла обраний стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання 100 Вт при температурі нитки 2850 К.

Інтегральну чутливість можна визначити по світловій характеристиці.

Спектральна чутливість– це чутливість фотокатода до монохроматичного світла. Вона визначається як фотострум, що приходить на 1 люмен світлового потоку даної довжини хвилі:

S = Iф\Ф (1.12)

Спектральні властивості фотокатода визначають по с пектральній характеристиці,що являє собою залежність спектральної чутливості від довжини хвилі випромінювання.

S= f () при Ф = const (1.13)

При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна (рис 1.1, б): зі збільшенням , тобто зменшенням n, кінетична енергія та швидкість емітованних електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф= const. Фотоелектронна емісія припиняється при овідповідно порогу no.

При виборчий фотоелектронной емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.1, в наведена як приклад спектральна характеристика сурмяно-цезієвого фотокатода, що використовується у фотопомножувачах. Цей катод найбільш чутливий до видимої частини спектра (від жовто-зелених до синьо-фіолетових променів); для нього о = 0,7 мкм.

2. Основні типи фотоелектронних приладів

2.1 Фотоелементи

Електровакуумним фотоелементом називається вакуумний прилад, що має фотокатод та анод. Балон фотоелемента виконується зі скла з малим коефіцієнтом поглинання випромінювання в робочому для приладу діапазоні спектра. У фотоелементів, призначених для роботи в УФ-області спектра, у балоні робиться вікно з матеріалу, прозорого в цій області. Деякі фотоелементи мають метало-скляні балони. Конструкції фотоелементів досить різноманітна залежно від призначення приладу. Класифікаційними ознаками можуть бути спектральний робочий діапазон, тип і конструкція фотокатода, режими роботи та області застосування. По областях застосування фотоелементи зручно обєднати в три основні групи.

До першої групи можна віднести фотоелементи, призначені для реєстрації порівняно слабко змінних у часі потоків випромінювання, інтенсивність яких набагато більше граничної. Ці фотоелементи застосовуються у звуковідтворюючій кіноапаратурі, у фототелеграфії, у схемах автоматики та контрольно-вимірювальних пристроїв. Фотоелементи цієї групи звичайно працюють із довільними джерелами світла, тому основними вимогами до приладів є наявність високої інтегральної чутливості, а також їхня довговічність і взаємозамінність.

Балон фотоелементів, що випускають для зазначених цілей, являє собою сферу, на частину внутрішньої поверхні якої нанесений масивний фотокатод. Анод виконується у вигляді кільця, сітки, петлі з тонкого дроту, що перебувають звичайно в центрі сфери. Електроди виводяться у вигляді твердих штирів у загальний цоколь або розносяться у два самостійних циліндричних виводи. Типові конструкції фотоелементів першої групи наведені на рис. 2.1.

До другої групи відносяться фотоелементи, які використовуються для виміру слабких повільно змінних потоків випромінювання різного спектрального складу, а також для точного виміру світлових потоків у фотометрії. У фотоелементах можуть застосовуватися як напівпрозорі так і масивні фотокатоди.

Рис. 2.1 – Зовнішній вигляд першого типу фотоелементів [6]: анод; фотокатод.

Підкладкою останніх служить скло або металева пластина. Для зниження струмів витоку вводиться третій електрод – охоронне кільце. Електроди можуть мати тверді виводи у вигляді штирків і циліндрів та гнучкі виводи – металеві стрічки та дротики. Деякі конструкції фотоелементів другої групи представлені на рис. 2.2.

До характеристик і параметрів розглянутих фотоелементів предявляються більше суворі вимоги, обумовлені їхнім призначенням. Фотоелементи повинні мати високу стабільність спектральних характеристик, лінійністю світлової характеристики, достатньо велике значеннями спектральної та світлової чутливості, високою граничною чутливістю.

Рис. 2.2 – Конструкція другого типу фотоелементів [6]: фотокатод, охоронне кільце, анод

Третя група містить у собі імпульсні потужнострумові фотоелементи, призначені для виміру параметрів потужних потоків випромінювання, тривалість яких може становити десяті частки наносекунди. Імпульсні струми фотоелемента можуть досягати десятків амперів, а напруга між електродами – декількох кіловольтів. Такі прилади знаходять широке застосування в лазерній техніці, ядерній фізиці, нелінійній оптиці і в імпульсній фотометрії.

Масивні фотокатоди потужнострумових фотоелементів наносяться на металеві пластини. Конструюються імпульсні фотоелементи. за принципом надвисокочастотних приладів. Мала відстань між електродами та сильне електричне поле забезпечують невеликий час прольоту електронів від фотокатода до анода. Деякі фотоелементи мають коаксіальний вивід, що дозволяє включати фотоелемент безпосередньо в роз’їм коаксіального кабелю, погодженого з низькомним навантаженням. Конструкція деяких типів імпульсних потужнострумових фотоелементів приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Конструкція деяких видів імпульсних потужнострумових фотоелементів [6]: анод; фотокадот.

У паспорті приладу звичайно вказується номер типової характеристики відносної спектральної чутливості та абсолютне значення максимальної спектральної чутливості.

Вольт-амперні характеристики фотоелементів . При освітленні фотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами обємний заряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний, тобто має місце режим обємного заряду фотоелемента. Для плоскопараллельної та циліндричної системи електродів анодний струм фотоелемента має залежність від анодної напруги, близьку до закону ступеня трьох других. Анодний струм у фотоелементі, як і в вакуумному діоді, зявляється при невеликій негативній напрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії в більшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода.

Коли напруга анода досягає певного значення, анодний струм стає рівним току фотоемісії і його ріст майже припиняється. Напруга насичення залежить від конструкції фотоелемента, типу фотокатода та від значення падаючого потоку випромінювання. Подальше підвищення напруги приводить до дуже слабкого зростання фотоструму за рахунок ефекту Шотткі та поліпшення збору електронів на анод. У фотоелементах з напівпрозорим фотокатодом, що має великий поздовжній опір (без провідної підкладки), при роботі в імпульсному режимі з більшими потоками випромінювання насичення фотоструму не відбувається. Це повязане із вторинною емісією електронів з вилучених від катодного вода ділянок фотокатода, які при протіканні струму уздовж шару здобувають позитивний потенціал. Різниця потенціалів між ділянками фотокатода може досягати значення, при якому коефіцієнт вторинної емісії буде більше одиниці. На рис. 2.4, а наведене сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента з масивним фотокатодом, а на рис. 2.4, б – фотоелемента з високим поздовжнім опором фотокатода.

Світлові характеристики фотоелементів, що працюють у режимі насичення, відповідно до закону Столетова лінійні. При великих потоках випромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовлене утворенням обємного заряду або стомленням фотокатода. За межу лінійності світлової характеристики приймається значення анодного струму, при якому відхилення від прямої пропорційності фотоструму падаючому потоку випромінювання не перевищує заданого значення. У фотоелементів, що працюють у безперервному режимі, межа лінійності не перевищує 10^-4 А. В імпульсному режимі опромінення при високих напругах анода це значення доходить до десятків амперів.

Рис. 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристик фотоелементів [7]: а – фотоелемента із масивним фотокатодом; б – фотоелемента із напівпрозорим фотокатодом

За аналогією з електронними лампами по сімейству вольт-амперних і світлових характеристик фотоелемента можна визначити чутливість і внутрішній опір R приладу відповідно як тангенс кута нахилу світлової характеристики та котангенс кута нахилу вольт-амперної характеристики до осі абсцис.

Опір навантаження може включатися в ланцюг анода або фотокатода. При заданої ЕРС джерела живлення опір навантаження вибирається таким, щоб робоча точка А лежала в межах області насичення вольт-амперних характеристик (рис. 2.5). У цьому випадку робоча світлова характеристика фотоелемента з навантаженням буде збігатися зі статичної, тобто залишатися лінійної в межах вимірюваних потоків.

Рис. 2.5 – Звязок між вольт-амперними та світловими характеристиками фотоелементів

Чутливість по напрузі (вольтова чутливість) фотоелемента з навантаженням, що працює в режимі насичення при R i Rндорівнює:

Su = S Rн (2.1)

Частотна характеристика. Частотні властивості фотоелемента визначаються часом прольоту електронів від фотокатода до анода та часом перезарядження паразитної міжелектродної ємності через опір навантаження (часом схемної релаксації). Час прольоту електронів залежить від відстані між електродами та від напруги анода. В імпульсних потужнострумових фотоелементах з малими міжелектродними відстанями та високими анодними напругами час прольоту не перевищує 10^-11 – 10^-10 с. В інших фотоелементах воно становить 10^-9 – 10^-8 с.

Опірнавантаження імпульсних потужнострумових фотоелементів становить кілька десятків Ом, а міжелектродна ємність – одиниці пікофарад, тому гранична частота таких приладів доходить до 10⁹ Гц, Ємність анод-катод фотоелементів першої та другої груп становить кілька десятків пікофарад, і їхня гранична частота в основному залежить від опору навантаження.

Стабільність чутливості фотоелементів . При подачі на фотоелемент, включений у ланцюг джерела живлення, потоку випромінювання відбувається зміна його чутливості (як правило, спад).:Через якийсь час значення чутливості стабілізується і може повністю або частково відновитися після вимикання джерела випромінювання або джерела живлення приладу. Нестабільність чутливості в часі, називаний стомленням, залежить від типу фотокатода, технології виготовлення фотоелемента та режимів його роботи.

Необоротна зміна чутливості при зберіганні фотоелементів, називається старінням, повязане зі зміною властивостей фоточутливого шару. Характер старіння, як і процесу стомлення, визначається типом фотокатода, технологією виготовлення фотоелемента, станом вакууму в балоні.

Темнів струм фотоелемента має дві основних компоненти: струм термоелектронної емісії фотокатода та струм витоку між електродами. Струм автоелектронної емісії фотокатода може мати порівнянне з названими компонентами значення при напругах анода біля декількох кіловольтів. При настільки високих напругах працюють тільки потужнострумові фотоелементи, для яких рівень темнавого струму не має суттєвого значення.

Струм термоемисії фотокатода, що займає у фотоелемента більшу площу, при кімнатній температурі досягає значень 10^-11 – 10^-10 А. У звязку з тим, що цей компонент визначається типом фотокатода та технологією його одержання, зменшення термотока можливо тільки шляхом зниження температури або зменшення розмірів фотокатода.

Струм витоку по зовнішній і внутрішній сторонах скла колби, а також по цоколі при робочих напругах 200–300 В має значення в межах 10^-9 –10^-7 А. Для підвищення опору ізоляції при конструюванні фотоелементів збільшують відстань між вводами, а на зовнішню поверхню балона наносять вологостійке покриття. У конструкції фотоелементів, призначених для виміру дуже малих потоків, передбачене охоронне кільце, уварене в балон між виводами фотокатода та анода. Цей електрод зєднують із негативним або позитивним полюсом джерела живлення залежно від того, у катодний або анодний ланцюг фотоелемента включені вимірювальний прилад або опір навантаження (рис. 2.6). Завдяки охоронному кільцю струм витоку не протікає через вимірювальний прилад.

Рис. 2.6 – Схема включення фотоелемента с охоронним кільцем

Ефективним способом зниження темнових струмів є використання балансових (мостових) схем включення фотоелемента. На рис. 2.7 показана схема балансового електрометричного катодного повторювача з фотоелементом у вхідному ланцюзі. Напруга від протікання темнового струму через резистор R 1на вході лівої лампи компенсується на виході такою же напругою, що виникає від протікання струму затемненого фотоелемента через резистор R₂ на вході правої лампи. Зміна вологості та температури навколишнього середовища викликає однакова зміна темнових струмів у двох плечах балансової схеми, тому вимірювальний прилад не реагує на ці зміни. При відсутності вимірюваного потоку потенціометром R овиробляється початкова установка вимірювального приладу на нуль.

Рис. 2.8 – Схема балансного електрометричного катодного повторювача с фотоелементом в вхідному ланцюзі

Для виділення корисного сигналу з темнового струму іноді застосовується модуляція вимірюваного потоку випромінювання за допомогою оптичного затвора, наприклад диска що обертається із прорізями. Модульований з деякою частотою струм сигналу легко виділяється шляхом фільтрації з повільно мінливого темнового струму. При необхідності сигнал після фільтра може бути відновлений у первичний вигляд за допомогою детектірованія.

Граничний потік фотоелемента, включеного у вхідний ланцюг підсилювального каскаду, визначається чутливістю фотоелементу до потоку

даного спектрального складу та сумарним шумовим струмом у вхідному ланцюзі підсилювача. Дуже слабкий фотострум звичайно не піддається прямим вимірам, і потрібно його попереднє посилення. Для цього в ланцюг фотоелемента включається високоомний резистор, напруга сигналу з якого надходить на підсилювач із високим вхідним опором.

2.1 Фотоелектронні помножувачі

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – це електровакуумні прилади, у яких струм фотоелектронної емісії підсилюється за допомогою вторинної електронної емісії.

При вимірі дуже слабких потоків випромінювання вихідний сигнал фотоелементів доводиться підсилювати. Граничний потік фотоприйомного пристрою з фотоелементом, багато в чому залежить від оптимального узгодження фотоелемента із вхідним ланцюгом підсилювального пристрою, що часто звязано зі значними труднощами. Такі важливі параметри фотоприйомного пристрою, як широкополосність і поріг чутливості, значною мірою визначаються параметрами підсилювача. Тому на практиці дуже рідко вдається реалізувати граничні можливості електровакуумного фотоелемента.

Істотними перевагами при вимірі слабких сигналів володіють ФЕП, у яких фотоелемент сполучається з убудованим у загальний балон підсилювачем фотоструму. Для посилення струму використаються емітери вторинних електронів – диноди. Підсилювач струму, побудований на динодах, називається вторинно-електронним помножувачем.Вінскладається з ряду послідовно розташованих динодів, кожний з яких має потенціал більше високий, чим попередній. Напруга між будь-якими динодами повинне бути достатнім для того, щоб коефіцієнт вторинної емісіїбув більше одиниці. Вторинно-електронний помножувач можна використати в приладах з будь-яким джерелом первинних електронів, але найбільш широке поширення він одержав у ФЕП.

Схематичне зображення ФЕП приведено на рис. 2.9.

Рис. 2.9 – Конструкція та схема включення ФЕП

Основними елементами конструкції ФЕП є катодна камера,помножувальна система(вторинно-електронний помножувач), анод і балон. Катодна камера містить у собі фотокатод 1та електронно-оптичну систему 2, що забезпечує збір електронів з усією поверхні фотокатода на перший динод 3 помножувальної системи. Електронний потік, кількість електронів у якому збільшується в міру руху від динода до динода, пройшовши помножувачу систему, надходить на анод 4, що представляє собою металеву пластину, штир або мілкоструктурну сітку. Балон ФЕП – це, як правило, скляний циліндр, з однієї сторони якого перебуває оптичне вікно, а з іншого боку – багато штиркову ніжку. Приварені до електродів ФЕП вводи можуть мати гнучкі або тверді зовнішні частини. На бічну поверхню балона ФЕП іноді наносять світлонепроникне покриття, що захищає фотокатод і диноди від зовнішніх засвіток. Напруга на електроди ФЕП подається через дільник, вбудований абозовнішній, який входить у блок живлення ФЕП.

Потік випромінювання, що падає на фотокатод, частково поглинається та викликає фотоелектронну емісію. Емітовані електрони прискорюються та фокусуються в катодній камері на перший динод. Частина електронів не попадає на поверхню динода через недосконалість електронно-оптичної системи катодної камери. Ефективність збору фотоелектронів на перший динод являє собою відношення кількості електронів, що досягають першого динода до кількості електронів емітованих фотокатодом. При прольотах між динодами частина електронів також розсіюється. Відношення кількості електронів, емітованих с динода і що брали участь у подальшому помножуванні, к повній кількості електронів, які вилетіли с динода називається ефективністю каскаду посилення g.

Помножувальна система сучасних ФЕП містить у собі від 7 до 14 динодів, що мають коефіцієнт вторинної емісії від 3 до 8. Ефективність збору каскаду посилення ФЕП лежить у межах 0,7 – 0,95. Коефіцієнт підсилення ФЕП залежно від їхнього призначення може бути від 10³ до 10⁸ . Середнє значення вихідного (анодного) струму ФЕП, як правило, не перевищує декількох міліамперів. Для того щоб струм динодів, протікаючи через опори дільника, не приводив до помітної зміни напруги між каскадами, опір резисторів у дільнику не повинні бути дуже великими. Тому на практиці задаються струмом дільника, в 10–100 разів перевищуючий струм останнього динода.

Спектральні характеристики ФЕП, як і спектральні характеристики фотоелементів, визначаються типом застосовуваного фотокатодада. Тип спектральної характеристики і абсолютне значення спектральної чутливості фотокатода S на певній довжині хвилі вказують у паспорті на ФЕП.

Характеристики і параметри ФЕП, вимірянні при постійних значеннях потоків випромінювання і напруг, що прикладають до електродів, називаються статичними. Здатність ФЕП реєструвати імпульсні потоки випромінювання характеризують імпульсні параметри.

Статичні характеристики та параметри ФЕП . Спектральною чутливістю ФЕП називається відношення анодного струму до падаючого на фотокатод монохроматичному потоку випромінювання.

Світлова анодна чутливість ФЕП – відношення анодного струму до світлового потоку джерела типу А, Анодна чутливість ФЕП дорівнює чутливості фотокатода, помноженої на коефіцієнт підсилення, тобто світлова анодна чутливість S_v =MS_VK , а спектральна чутливість ФЕП S_e = MS_{e .} Анодна чутливість виміряється при рівномірному висвітленні всієї поверхні фотокатода. Якщо послідовно висвітлювати різні ділянки фотокатода вузьким пучком, то можна виявити нерівномірність чутливості по поверхні фотокатода.

Залежність чутливості від координат ділянок висвітлення називається зонною характеристикою. На рис. 2.10 наведена зонна характеристика одного із приладів, виміряна по діаметру фотокатода. Зміна чутливості ФЕП при висвітленні різних ділянок фотокатода обумовлено нерівномірністю чутливості фотоемісійного шару та неоднаковістю збору електронів з різних ділянок фотокатода на перший динод.

Рис. 2.10 – Зонна характеристика ФЕП

Світлова характеристика ФЕП – залежність анодного струму від потоку випромінювання при постійній напрузі живлення. При невеликих потоках випромінювання світлові характеристики лінійні. Відхилення від лінійності характеристик у міру росту потоку випромінювання в статичному режимі визначається в основному стомленням динодів при протіканні значних струмів. Якщо напруга між останнім динодом та анодом виявиться занадто малим, наприклад, при занадто великому опорі навантаження, то можливе виникнення обємного заряду перед анодом. Це також приводить до нелінійності світлової характеристики. В імпульсному режимі межа лінійності світлової характеристики може становити кілька ампер. Щоб запобігти переходу ФЕП в режим обємного заряду, необхідно підвищувати напруги на останніх каскадах множення.

На рис. 2.11 наведене сімейство статичних світлових характеристик ФЕП при різних напругах живлення.

Рис. 2.11 – Сімейство статичних світлових характеристик

Чутливість ФЕП при різних напругах живлення може бути визначена як тангенс кута нахилу світлової характеристики.

Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП показана на рис. 2.12. Зі збільшенням напруги чутливість, пропорційна коефіцієнту підсилення ФЕП, росте за степеневим законом. Швидкість росту (нахил характеристик) залежить від помножувально-емісійних властивостей динодів і числа каскадів помножувальної системи. У паспортах ФЕП звичайно указують фіксовані напруги живлення, що відповідають номінальним значенням світлової анодної чутливості: 1,3,10, 30, 100 А/лм…

Рис. 2.12 – Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП

Анодна характеристика ФЕПпоказує залежність анодного струму (або анодної чутливості) від напруги між анодом та останнім динодом. На рис. 2.13 зображене сімейство анодних характеристик ФЕП при різних потоках випромінювання та незмінній напрузі на каскадах посилення.

Рис. 2.13 – Анодні характеристик ФЕП при двох фіксованих значеннях потоку випромінювання

Крутий ділянка характеристики відповідає режиму обємного заряду, що утвориться між анодом та останнім динодом. При збільшенні напруги прилад переходить у режим насичення, що є робочим режимом ФЕП. При виборі опору навантаження необхідно звернути увагу на те, щоб робоча точка не виходила за межі області насичення характеристик (рис. 2.13).

Темпової струм ФЭУ має наступні складові:

– посилений помножувальной системою струм термоелектронної емісії фотокатода, електродів катодної камери та перших одного-двох динодів (внесок струмів термоемісії інших динодів малий, тому що ці струми проходять менше каскадів посилення);

– струм автоелектронної емісії динодів, що також може підсилюватися помножувальною системою;

– струм витоку між анодом та іншими електродами;

– струми, викликані іонними і оптичними зворотними звязками (ці струми умовно ставляться до темнавих, тому що їхнє значення визначається щільністю електронного потоку у ФЕП).

Висновки

В даній роботі було розглянуто будову, класифікацію, основні параметри, а також фізичні основи роботи фотоелектронних приладів.

В результаті виконання роботи було з’ясовано, що:

1. Фотоелектричні приладами – електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

2. Фотоелектричні прилади можна класифікувати за різними характеристиками, але в основному їх класифікують в залежності від типу робочого середовища на фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі), фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори) та фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п- структурах (напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фото транзистори).

3. Фізичні принципи дії фотоелектронних приладів, визначається перетворенням енергії оптичного випромінювання в електричну.

4. Кожна з функціональних груп фотоелектричних приладів характеризується специфічною системою параметрів.

Література

1. Сушков А.Д. Вакуумная электроника. Санкт-Петербург: Лань, 2004. – 464 с.

2. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие. Санкт-Петербург: БХВ – Петербург, 2005. – 800 с.

3. Федосеева Е.О., Федосеева Г.П. Основи электроники и мимикроэлектроники. – Москва: Искусство, 1990. – 240 с.

4. Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О., Елисеев Р.Е. Фотоэлеткронние прибори. Москва: Наука, 1965. – 592 с.

5. Батушев В.А. Элетронние прибори. – Москва: Висшая школа, 1980. – 382 с.

6. Гуртовник А.Г., Точинский Е.Г., Яблонский Ф.М. Электровакуумние прибори и основи их конструирования. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 424 с.

7. Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные прибори. Москва: Вишая школа, 1982. – 463 с

8. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумние фотоэлетронные приборы. Москва: Радио и Связь, 1988. – 272 с.

9. Кациельсов Б.В., Калугин А.М. Ларинов А.С. Электровакуумние и газоразрядние прибори. – Москва: Радио и Связь, 1985. – 864 с.

Скачать архив с текстом документа