|
Интегральная чувствительность — это чувствительность фотокатода к суммарному, не разложенному в спектр, световому потоку. Она определяется как фототок, вызываемый общим световым потоком в 1 люмен:
с _ /ф ф '
Для точного определения интегральной чувствительности в качестве источника света выбран стандартный излучатель — электрическая лампа накаливания мощностью 100 Вт при температуре нити 2850 К.
Интегральную чувствительность можно определить по световой характеристике.
Спектральная чувствительность — это чувствительность фотокатода к монохроматическому свету. Она определяется как фототок, приходящийся на 1 люмен светового потока данной длины волны:
Спектральные свойства фотокатода определяют по спектральной характеристике, которая представляет собой зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения.
Sk = /(Я) при Ф = const.
При нормальной фотоэлектронной эмиссии спектральная характеристика отражает закон Эйнштейна (рис. 3.14, б): с увеличением X, т. е. уменьшением v, кинетическая энергия и скорость эмиттированных электронов уменьшается, следовательно, уменьшается фототок и чувствительность при Ф = const. Фотоэлектронная эмиссия прекращается при Х0 соответственно порогу vo.
При избирательной фотоэлектронной эмиссии спектральная характеристика имеет максимум в определенной части спектра. На рис. 3.14, в приведена в качестве примера спектральная характеристика сурьмяно-цезиевого фотокатода, используемого в фотоумножителях. Этот катод наиболее чувствителен к видимой части спектра (от желто-зеленых до сине-фиолетовых лучей); для него Ло = 0,7 мкм.
3.2.3. Фотоумножитель. Устройство и принцип действия
Фотоумножителем называют электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрическую и содержащий фотокатод, анод и вторично-электронный умножитель, в котором поток электронов умножается за счет вторичной электронной эмиссии. Вторично-электронный умножитель состоит из электродов, осуществляющих вторичную электронную эмиссию и называемых динодами. Количество динодов может быть различным (от 1 до 18—20). Конструкция, расположение и электрический режим динодов таковы, что число вторичных электронов, эмиттируемых с их поверхности, превышает число падающих на эту поверхность первичных электронов. Фотоумножитель с одним динодом называют однокаскадным, а с несколькими — многокаскадным.
Рассмотрим устройство и принцип действия многокаскадного фотоумножителя (рис. 3.15). Фотокатод под действием света испускает первичные электроны, которые ускоряются электри- г
ческим полем и падают на первый динод Д\. Динод под ударами первичных электронов испускает вторичные электроны, число которых больше, чем первичных. Для этого между динодом и фотокатодом создается напряжение порядка 100—150 В. Вылетевшие из динода Д\ вторичные электроны ускоряются и направляются на второй динод Дг, для которого они первичны. В свою очередь динод Д2 испускает вторичные электроны и т. д. Каждый следующий динод должен иметь положительный потенциал, пре-
Рис. 3.15. Усройство многокаскадного фотоумножителя |
вышающий потенциал предыдущего на 100—150 В. На анод приходит умноженный во много раз поток электронов, так что ток анода гораздо больше фототока катода; происходит внутреннее усиление тока. Коэффициент усиления тока равен: К — оп, где п — количество динодов; о — коэффициент вторичной эмиссии, показывающий, сколько вторичных электронов эмиттируется под действием одного первичного. Соответственно, чувствительность фотоумножителя в К раз больше, чем чувствительность фотокатода и достигает 100 А/лм.
Недостатками многокаскадных умножителей являются высокое напряжение питания и большой собственный шум.
В кинотехнике для воспроизведения звука с фотографических фонограмм нашли применение однокаскадные фотоумножители. Однокаскадный фотоумножитель имеет три электрода: фотокатод, динод и анод. Фотокатод служит для осуществления фотоэлектронной эмиссии. Динод — это вторично-эмиссионный электрод. Анод служит для ускорения первичных и вторичных электронов, а также для собирания вторичных электронов.
Устройство однокаскадного фотоумножителя типа ФЭУ-1, а также его условное графическое обозначение на схемах показано на рис. 3.16. Фотокатод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на половину внутренней поверхности стеклянного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен
такой же по материалу, но небольшой по площади слой, являющийся динодом. Катод и динод — сурьмяно-цезиевые. Внутри баллона (ближе к диноду) расположен анод в виде редкой металлической решетки из тонкой проволоки, натянутой на овальную металлическую рамку. Выводы трех электродов впаяны в пластмассовый цоколь.
Схема включения однокаскадного фотоумножителя (рис. 3.17, а) содержит две цепи: цепь анода и цепь динода. В цепь
Натод^^йГ хАиод -Динод
Рис. 3.16. Однокаскадный фо тоумножитель ФЭУ-1: а — уст ройство; б — условное графиче ское обозначение |
Рис. 3.17. Схема включения (а) и принцип действия (б) однокаскадного фотоумножителя
анода входят: источник анодного питания £а, нагрузка /?„ и промежуток анод — катод; в цепь динода входят: источник питания £д и промежуток динод — катод. В практических схемах оба электрода питаются от одного источника £а; на анод подается -|-220 В, а на динод------------ И70 В относительно катода через
гасящие резисторы.
Принцип действия однокаскадного фотоумножителя поясняет рис. 3.17, б, на котором схематически показаны: световой поток — пунктирными линиями, поток первичных электронов —
тонкими сплошными линиями, а вторичных — толстыми линиями. Световой поток от источника света падает на катод и вызывает фотоэлектронную эмиссию. Под действием ускоряющих электрических полей анода и динода первичные электроны с большой скоростью движутся к аноду. Незначительная часть электронов попадает при этом на анод, а основной поток электронов проходит сквозь редкую решетку анода и падает на динод, вызывая вторичную эмиссию с его поверхности. Вторичные электроны, эмиттированные динодом, движутся под действием ускоряющего электрического поля к аноду, потенциал которого выше, чем динода. Анодный ток создается главным образом вторичными электронами, попадающими на анод, так как число первичных электронов, падающих с катода непосредственно на анод, пренебрежимо мало по сравнению с числом вторичных электронов.
Поток эмиттированных катодом первичных электронов создает в цепи фотокатода фототок /ф, а поток вторичных электронов, попадающих с динода на анод, создает анодный ток /а. Вторичных электронов вылетает больше, чем падает первичных, в о раз (а — коэффициент вторичной эмиссии), поэтому /а = а/ф.
Коэффициент усиления тока К, показывающий, во сколько раз анодный ток больше фототока, для однокаскадного фотоумножителя равен коэффициенту вторичной эмиссии:
В оптимальном режиме К достигает 4—6. Во столько же раз увеличивается чувствительность однокаскадного фотоумножителя по сравнению с чувствительностью фотокатода:
s = #=-^=Ks*.
где S — чувствительность фотоумножителя; — чувствительность фотокатода, составляющая 100—120 мкА/лм для сурьмяно-цезиевого фотокатода. У ФЭУ-1 чувствительность достигает 400—600 мкА/лм.
3.2.4. Характеристики однокаскадного фотоумножителя
Анодный ток фотоумножителя, имеющего три электрода, зависит от двух напряжений — анода и динода — и от светового потока. Поэтому основными характеристиками такого прибора являются вольт-амперная, каскадная и световая.
Для того чтобы снять эти характеристики, необходимо собрать электрическую схему (рис. 3.18, а), в которой можно изменять напряжения анода и динода с помощью потенциометров, а световой поток от лампы накаливания — с помощью диафрагмы Д с переменным диаметром отверстия. В схему включают измерительные приборы для измерения /а, Ua и ил.
Вольт-амперная (анодная) характеристика — это зависимость анодного тока от напряжения между анодом и динодом Uяд при постоянных значениях напряжения динода и светового потока (рис. 3.18, б):
/а = f(Uajl) при ил = const; Ф = const.
теля |
Для снятия этой характеристики устанавливают рабочее напряжение динода, равное 170 В, и постоянный световой поток порядка сотых долей люмена. При изменении анодного напряжения от нуля до величины, при которой Uaa — 0 (Ua— Ua), анодный ток практически остается равным нулю. С увеличением анодного напряжения, когда Uaa>0 (£/а>(/д), электрическое поле для вторичных электронов становится ускоряющим; все большее число их движется к аноду, анодный ток быстро растет, и характеристика идет круто вверх, пока ток не достигает величины тока насыщения. Это происходит при анодном напряжении, превышающем напряжение динода на 35—40 В. Дальнейшее увеличение анодного напряжения не вызывает роста анодного тока, так как все вторичные электроны достигают анода. Горизонтальный участок характеристики, соответствующий насыщению, является рабочим.
Устанавливая разные значения светового потока, можно получить семейство вольт-амперных характеристик. Чем больше световой поток, тем выше располагается рабочий участок характеристики.
По вольт-амперной характеристике можно определить интегральную чувствительность фотоумножителя. Для этого величину анодного тока /а на рабочем участке (обычно при рабочем напряжении Ua — 220 В) следует разделить на величину светового потока Ф, при котором снималась характеристика:
S = мкА/лм.
Каскадная характеристика — это зависимость анодного тока от напряжения динода при постоянных величинах анодного напряжения и светового потока (рис. 3.18, в):
/а = f(Uд) при Ua — const; Ф = const.
При снятии этой характеристики устанавливается постоянное анодное напряжение, равное рабочему напряжению 220 В, и световой поток порядка сотых долей люмена. При Un = 0 все первичные электроны идут на анод; даже электроны, пролетевшие сквозь анод, возвращаются к нему. Поэтому анодный ток /а равен фототоку катода /а = /ф. С увеличением напряжения Ua часть электронов, пролетая сквозь решетку анода, достигает динода, вызывая вторичную эмиссию. При небольшом напряжении Ua количество эмиттируемых вторичных электронов еще невелико, но все же коэффициент вторичной эмиссии с >• 1. Все вторичные электроны движутся на анод, имеющий значительно больший потенциал, и анодный ток начинает медленно расти. При дальнейшем увеличении скорость и количество первичных электронов, падающих на динод, возрастают; следовательно, увеличивается количество вторичных электронов, растет анодный ток. Это происходит при увеличении Un до определенной оптимальной величины Ua — Uноту при которой анодный ток достигает максимального значения /а макс При этом получается наибольшее значение коэффициента усиления тока и наибольшая чувствительность фотоумножителя. Рабочее напряжение динода задается равным оптимальному и составляет примерно 170 В.
Дальнейшее увеличение Un приводит к уменьшению анодного тока из-за того, что по мере приближения Ua к величине Ua уменьшается разность потенциалов между анодом и динодом, а следовательно, ослабляется ускоряющее электрическое поле для вторичных электронов. Все меньшее число вторичных электронов попадает на анод, и анодный ток уменьшается. При Ua — Ua ускоряющего поля для вторичных электронов нет, и все они возвращаются на динод. При этом анодный ток /а становится равным нулю.
По каскадной характеристике можно определить такие параметры фотоумножителя, как чувствительность и коэффициент усиления, а также чувствительность фотокатода.
Для определения чувствительности фотоумножителя S необходимо взять отношение /амакс к величине постоянного светового потока, при котором снималась каскадная характеристика:
О ___ ^а макс
~ Ф '
Чувствительность фотокатода S,}, определяется как отношение фототока /ф к световому потоку:
с ___
— ф~ '
где /ф = /а при £/д= 0.
Коэффициент усиления вычисляется как отношение максимального анодного тока к току фотоэлектронной эмиссии:
I/- ____ I а макс _____ S
Л = —7----------- =-с—•
На динод с катода приходят первичные электроны, которые создают ток динода, равный фототоку /ф. В то же время с динода уходят на анод вторичные электроны, которые создают анодный ток /а. Поэтому ток динода /д в любом режиме равен разности анодного тока и фототока (пунктирная кривая /д = /(£/д) на рис. 3.18, в):
/а — /а /ф •
В частности, при (7д = Ua, когда /а = 0, ток /д = /ф, а при 1)а = = 0, когда /а = /ф, ток /д = 0.
Световая характеристика фотоумножителя является эмиссионной характеристикой и представляет собой зависимость анодного тока от светового потока при постоянных напряжениях анода и динода:
/а = /(ф) при Ua — const; Ua — const.
Поскольку фотоумножитель — прибор электровакуумный, его световая характеристика подчиняется закону Столетова и имеет вид прямой линии, выходящей из начала координат под углом, зависящим от чувствительности прибора (см. рис. 3.14, а). При больших световых потоках рост анодного тока несколько замедляется, так как скопление движущихся к аноду вторичных
электронов создает отрицательный объемный заряд, который тормозит движение этих электронов на анод.
Спектральная характеристика фотоумножителя определяется спектральной характеристикой его катода, в данном случае сурь- мяно-цезиевого (см. рис. 3.14, в). Большая чувствительность этого катода к видимой части спектра отвечает требованиям воспроизведения фонограмм цветных кинофильмов.
Частотные свойства фотоумножителя определяются его частотной характеристикой.
Частотная характеристика — это зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока.
Процессы в однокаскадном фотоумножителе практически безынерционны, поэтому его частотная характеристика выражается горизонтальной прямой линией во всей области звуковых частот, а также на более высоких частотах до десятков килогерц. Это позволяет успешно использовать фотоумножители в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов.
К параметрам фотоумножителя кроме чувствительности относятся темновой ток, рабочее напряжение анода, рабочее напряжение динода.
Темновой ток /т — это ток, протекающий в анодной цепи при отсутствии светового потока. Причиной его появления может быть термоэлектронная эмиссия, происходящая при комнатной температуре, а также ток утечки между выводами электродов.
Контрольные вопросы
1. Назовите виды фотоэффекта и законы фотоэлектронной эмиссии.
2. Нарисуйте схематическое устройство многокаскадного и однокаскадного фотоумножителей и объясните принцип их действия.
3. Нарисуйте и объясните вольт-амперную и каскадную характеристики однокаскадного фотоумножителя.
4. Назовите основные параметры фотоумножителя и объясните, как они определяются по характеристикам.
5. Нарисуйте и объясните световую и спектральную характеристики фотоумножителя с сурьмяно-цезиевым катодом.
Глава 3.3.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
3.3.1. Фоторезисторы и фотогальванические элементы
В полупроводниковых фотоэлектронных приборах, использующих внутренний фотоэффект (фотогальванический или фоторе- зистивный), энергия фотона, поглощаемого валентным электроном, должна быть не меньше энергии, соответствующей запрещенной зоне AW3. Получив дополнительно эту энергию, валент
но
ный электрон переходит в зону проводимости. В полупроводнике при этом происходит разрушение ковалентных связей, сопровождаемое генерацией пар электрон — дырка, за счет чего уменьшается его сопротивление. Если энергия фотона больше энергии ДИ?3, то избыток энергии, полученной электроном, превращается в его кинетическую энергию.
В примесных полупроводниках наряду с этим за счет энергии фотонов может происходить ионизация атомов примеси, сопровождающаяся переходом валентных электронов на энергетические уровни атомов акцепторов в области p-типа и переходом электронов с уровней атомов доноров в зону проводимости в области п-типа. При этом увеличивается количество основных носителей заряда.
К полупроводниковым фотоэлектронным приборам относят фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного электрического сопротивления полупроводника под действием света или невидимого излучения — инфракрасного, ультрафиолетового. Основной частью фоторезистора является полупроводниковая пластина или фоточувствительный проводящий полупроводниковый слой на стеклянной подложке. Материалом для фоторезистора может служить сернистый кадмий, сернистый свинец, селенистый кадмий, селенистый теллур и другие.
Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником питания. Он обладает омическим сопротивлением: ток через него пропорционален приложенному напряжению при постоянном световом потоке или без него. Проводимость фоторезистора одинакова в обоих направлениях. При отсутствии светового потока в цепи фаторезистора протекает небольшой темновый ток /т. Темновое сопротивление фоторезистора RT велико; его можно определить как отношение приложенного напряжения U к темно- вому току:
При освещении фоторезистора его сопротивление резко уменьшается: световое сопротивление Rc меньше RT в сотни и тысячи раз. Поэтому в цепи протекает большой световой ток /с. Фототок равен разности между световым и темновым токами: /ф —— /с If.
Основной параметр фоторезистора — чувствительность S:
Инерционность фоторезисторов служит причиной того, что они не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм. Их применяют в измерительной аппаратуре, в схемах автоматики, в качестве фотореле для считывания информации с перфолент и т. п. Фоторезисторы в микроэлектронном исполнении применяются в оптоэлектронике.
Фотогальваническим элементом называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую. Его действие основано на фото- гальваническом эффекте.
Фотогальванический элемент не требует источника питания. При изготовлении такого элемента используют кремний, селен, германий и другие полупроводники, на базе которых создается р-п переход. При облучении р-п перехода или прилегающих к нему областей, обычно области л-типа, за счет Световой энергии генерируются пары электрон — дырка. Они диффундируют к р-п переходу и на границе разделяются под действием контактной разности потенциалов: дырки втягиваются в область p-типа, а электроны накапливаются в области л-типа. Значительное увеличение концентрации носителей заряда по обе стороны р-п перехода приводит при разомкнутой цепи к возникновению разности потенциалов между обеими областями, называемой фото-э.д.с.
Из-за большой собственной емкости фотогальванического элемента, имеющего большую рабочую поверхность, его граничная частота не превышает 500—1000 Гц.
Нелинейность световой характеристики, большая инерционность и большой собственный шум являются недостатками фотогальванических элементов, ограничивающими их применение для преобразования световых сигналов в электрические. По этой причине они не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофильмов.
Фотогальванические элементы используют в качестве источников электрической энергии в виде солнечных батарей, а также в фотометрии, в автоматике, в приборах для измерения освещенности — люксметрах, в частности, для измерения освещенности киноэкранов, в экспонометрах для определения экспозиции при фотосъемках и киносъемках.
3.3.2. Фотодиоды
Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которого управляется световым потоком.
Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на
основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупроводников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Они являются датчиками электрического сигнала, поступающего на вход усилителя при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кинофильма, т. е. преобразуют световые сигналы в электрические. Условное графическое обозначение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 3.19, в.
Ф ю |
Рис. 3.19. Фотодиод: а — устройство; б — внешний вид; в — услов- в ное графическое обозначение |
Основные |
Генерация пар... носителей ///Ф |
- и |
Неоснов-'т ные носи- ■ф те ли |
'обр
Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме
Фотодиоды получили широкое распространение в разнообразной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в системах автоматики и контроля.
Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный — с внешним источником питания, включенным в обратном направлении; при этом используется фоторезистивный эффект, в результате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальванический — без внешнего источника питания; при этом используется фотогальванический эффект, в результате чего световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фо- то-э.д.с.
Работа фотодиода в фотодиодном режиме. На рис. 3.20 приведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и
иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света.
При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (ф = О, U — 0) на р-п переходе, как и в обычном полупроводниковом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки «-{-» и «—» без кружочков).
При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф =0; U — UDбР) через затемненный фотодиод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являющийся темновым током /т.
Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область п-типа, в ней генерируются пары электрон — дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в «-области увеличивается, и поток их через р-п переход возрастает. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /ф и возрастает с увеличением светового потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воздействием светового потока увеличивается обратный ток р-п перехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.
Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух величин — приложенного извне напряжения U и светового потока Ф. Поэтому основными являются два вида характеристик — вольт - амперные и световые. Схема для снятия характеристик фотодиода (рис. 3.21, а) содержит источник питания £, потенциометр и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник светового потока — лампа накаливания J1 и диафрагма Д с регулируемым диаметром отверстия для изменения светового потока.
Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока фотодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 3.21, б):
/ф = f (i/) при Ф = const.
Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода (при Ф = 0) является характеристикой темнового тока /т = f (U) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. При воздействии светового потока ток увеличивается; обратная ветвь сдвигается по оси обратного тока в сторону его увеличения тем сильнее, чем больше световой поток. Если строить вольт-амперные характеристики, не учитывая знаков тока и напряжения обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, то они примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характеристики располагаются выше.
Поскольку количество неосновных носителей заряда в л-об- ласти, проходящих чер.ез р-п переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного
напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое увеличение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению области р~п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой л-области. При этом меньшее количество дырок успевает рекомбинировать с электронами 'по пути движения к р-п переходу, а большее число их принимает участие в создании тока через фотодиод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может привести к пробою р~п перехода.
Рис. 3.21. Схема для снятия характеристик фотодиода (а), его вольт-амперные (б), световые (в) и спектральные (г) характеристики: / — кремниевых; 2 — германиевых
Световая характеристика — это зависимость фототока от светового потока при постоянном напряжении источника питания:
/ф = ДФ) при U = const.
Световые характеристики в фотодиодном режиме практически линейны (рис. 3.21, в). Если учитывать темновой ток, протекающий при Ф = О, то световые характеристики выходят не из начала координат. Однако темновой ток, особенно кремниевых фотодиодов, настолько мал по сравнению с фототоком, что на световых характеристиках им можно пренебречь. Характеристи
ки, снятые при большей величине напряжения, идут несколько круче, так как ток немного возрастает, как было показано на вольт-амперных характеристиках.
Спектральные характеристики фотодиодов показывают зависимость спектральной чувствительности от длины волны излучения. На рис. 3.21, г приведены спектральные характеристики кремниевого и германиевого фотодиодов. По оси ординат отложена относительная спектральная чувствительность, т. е. отношение Sx/Sx макс, %. Из характеристик видно, что кремниевый фотодиод обладает более избирательной чувствительностью, максимум которой приходится на красные и инфракрасные лучи с длиной волны 0,7—0,85 мкм. Германиевый фотодиод чувствителен к более широкой области спектра — от 0,6 до 1,8 мкм. В зависимости от основного материала фотодиода и введенных в него примесей можно получить спектральные характеристики, перекрывающие всю область видимого спектра (от 0,38 до 0,76 мкм) и инфракрасную область излучения.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 51 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |