Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы).

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

Различают 2 режима работы Фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи Фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры Фотодиода:

1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2;

2) уровень шумов – не свыше 10-9 а;

3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм;

4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 а/вт;

5) инерционность (время установления фототока) порядка 10-7–10-8 сек.

В лавинном Фотодиоде, представляющем собой разновидность Фотодиодов с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 102–104. Существуют также Фотодиоды с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Фотодиоды с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10-10 сек).

Фотодиоды находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Фототранзистор – полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом p-n переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзистор, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фототранзисторах наличие второго p-n перехода увеличивает собственные шумы. Их чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.

- Оптопара с составным транзистором.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан советским изобретателем Л. А. Кубецким в 1930—1934 гг.

Конструкция:

Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (образуется поверхностями фотокатода, фокусирующих электродов, первого динода), умножительной динодной системы, анода и дополнительных электродов. Все элементы размещаются в вакуумном корпусе (баллоне).

Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы — «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600—3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Существуют фотоэлектронные умножители с полупроводниковыми умножающими элементами (гибридные), принцип действия которых основан на явлении ионизации атомов полупроводника при его бомбардировке электронами.

Схема ФЭУ с присоединённым сцинтиллятором

В зависимости от конструкции динодной системы ФЭУ разделяются на:

- системы на дискретных динодах с электростатической фокусировкой электронных пучков (наиболее часто используемые диноды коробчатые, ковшеобразной и тороидальной формы),

- системы на дискретных динодах сквозного типа (динодами являются сетки, жалюзи, плёнки),

- системы на распределённых динодах (пластинчатые, щелевые и трубчатые).

Основные параметры:

- Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1—104 А/лм

- Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10³—108) (до 1011)[1];

- Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10−9—10−10 А.

Применение:

- Спектрометрия — сцинтилляционные счётчики;

- Ядерная физика — в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ);

- Оптика, телевидение, лазерная техника.

- Хемилюминесценция.

- Физика элементарных частиц - для регистрации нейтрино (Проекты "Полтергейст", AMANDA).

Дата добавления: 2015-07-08