МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультетелектроніки та інформаційної техніки
Кафедраприкладної фізики
Комплекснакурсова робота
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ,ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ
Суми 2009
Зміст
Вступ
1. Фізичні основифотоефекту
1.1 Види фотоефекту.Фотоелектронна емісія
1.2 Законифотоелектронної емісії та характеристики фотокатода
2. Основні типифотоелектронних приладів
2.1 Фотоелементи
2.2 Фотоелектронніпомножувачі
Висновки
Література
Вступ
Доситьважлива роль, яку фотоелектронні прилади відіграють у сучасній техніці і внаукових дослідженнях, визначила їхній інтенсивний розвиток, що почався втридцятих роках двадцятого сторіччя і безупинно триває в зростаючому темпі аждо теперішнього часу. В останні роки в цій області досягнуть ряд істотнихуспіхів. Створено нові фотокатоди як для видимої області спектра, так і дляультрафіолетової. З'явилися нові види фотоелектронних помножувачів, щовідрізняються високими значеннями експлуатаційних параметрів.
Фотоелектричними приладаминазивають електронніприлади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричнийструм.
По виду робочого середовища фотоелектричні прилади можна поділитина електровакуумні (електронні та іонні) і напівпровідникові. По типуфотоелектричного ефекту, що лежить в основі дії приладу, розрізняють:
– фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронній іонні фотоелементи, фотопомножувачі);
– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом воднорідних структурах (фоторезистори);
– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п-структурах(напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори).
1.Фізичні основи фотоефекту
1.1Види фотоефекту
Фотоелектронним приладомназивають електроннийприлад, призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання велектричну. Принцип дії цих приладів заснований на зміні електричнихвластивостей речовин під дією падаючих на неї випромінювання, зокрема видимогосвітла. Фотоелектронні прилади поділяються на електровакуумні інапівпровідникові.
Вплив світла на електричні властивості речовини називається фотоефектом.Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект.
Зовнішній фотоефект – це фотоелектроннаемісія, тобто випускання електронів з поверхні речовини під дією енергіїпадаючого світла; на цьому заснований принцип дії електровакуумнихфотоелектронних приладів – фотоелементів і фотопомноживачів.
Внутрішнній фотоефект може бути двох видів:фоторезистивний ефект – зменшення електричного опору напівпровідника під дієюпадаючого світла; фотогальванічний ефект – виникнення на р-п переходіпід дією падаючого світла різниці потенціалів. На внутрішньому фотоефектізаснований принцип дії напівпровідникових фотоелектронних приладів.
Фотоефект виникає внаслідок зміни енергетичного стану вільнихелектронів у металі, а також атомів у кристалі напівпровідника при поглинанніенергії випромінювань. Енергія оптичного випромінювання виділяється йпоглинається квантами – фотонами, і поширюється у вигляді хвиль, якелектромагнітні коливання. При поглинанні фотонів валентними електронами одинелектрон може поглинути тільки один фотон. За рахунок цього його енергіястрибкоподібно збільшується.
Принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів заснований,як було сказано, на фотоелектронній емісії.
Для виходу електрона з фотокатода у вакуум необхідно, щобелектрон, що мав всередині катода максимальну енергію W/>, поглинув енергію фотонане меншу, ніж робота виходу електрона для даної речовини. Відповідно доквантової теорії, енергія кванта, у цьому випадку фотона, прямо пропорційначастоті випромінювання:
Wкв = h, (1.1)
де h –постійна Планка;
n – частота випромінювання.
Частотаn обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:
n = с\λ (1.2)
Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилівипромінювання:
Wкв = hc\λ, (1.3)
де с –швидкість світла.
Наприклад,короткохвильове випромінювання, що відповідає фіолетовим променям видимогоспектра з довжиною хвилі λ= 0,38 мкм, несе енергію фотона 3,25 ев,а довгохвильові червоні промені з λ = 0,76 мкм – енергію фотона 1,6 ев.
Мінімальначастота nо, при якій можлива фотоелектронна емісія,називається порогом фотоелектронної емісії. Їй відповідає довжина хвилі λо. Її величину дляданої речовини можна знайти з умови рівності енергії фотона та роботи виходу:
Wкв = Wo (1.4)
Підставившисюди значення Wo = ejo; Wкв = ho та λо = с\o отримаємо
ho = ejo, (1.5)
звідси
o = ejo\h та λо = hc\ ejo, (1.6)
де h,c та е (заряд електронна) – постійні;
jo – робота виходу в електрон – вольтах, яка залежить від матеріалуфотокатода.
Для одержання фотоелектронної емісії в більше широкій областівидимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу.
1.2Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода
Найпростішимелектровакуумним приладом, що перетворить оптичний сигнал в електричний, є фотоелемент.Він має два електроди: фотокатод та анод. На анод подається постійна позитивнанапруга щодо катода. Емітовані з фотокатода електрони рухаються до анода,створюючи в ланцюзі фотострум Iф.
ЗакониСтолетова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії.
Закон Столетова: величина фотоструму прямо пропорційнасвітловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінній спектральній составісвітла:
Iф = SФ, (1.7)
де Ф –світловий потік у люменах;
S – коефіцієнт пропорційності, називаємий чутливістю фотокатода тавимірюваний в мікроамперах на люмен.
ЗаконСтолетова ґрунтується на квантовій теорії: більший світловий потік несе водиницю часу більше фотонів, отже, більше число електронів може за цей часпоглинути по одному фотоні та вийти з фотокатода у вакуум. Цей законвідображається світловою характеристикою (рис. 1.1, а):
/>
Рис. 1.1– Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в)
Світловахарактеристика– це залежність фотоструму від світлового потоку припостійній 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; їїнахил залежить від чутливості фотокатода.
Закон Ейнштейна: максимальна кінетична енергія електрона,що вилетів з фотокатода, лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючогосвітла та не залежить від його інтенсивності.
Оскільки різниця енергії фотона та роботи виходу перетворюється вкінетичну енергію електрона, то закон Ейнштейна виражається рівнянням:
mv/>\2 = Wкв – Wo, (1.9)
де mv/>\2 – кінетична енергіяелектрона.
Підставившив рівняння Wкв та Wo, отримаємо:
mv/>\2= h – ejo (1.10)
Це рівняння визначає лінійну залежність кінетичної енергіїелектрона від частоти випромінювання ; інші його елементи – постійнідля даної речовини.
Максимальною кінетичною енергією будуть володіти ті електрони, яківсередині фотокатода мали максимальну внутрішню енергію Wi. При WKB= Wo кінетична енергія електрона, що вилетів, дорівнює нулю, а при Wкв Wo фотоелектронна емісія неможлива.
Закону Ейнштейна підкоряється фотоелектронна емісія із чистихметалів порівняно більшої товщини. Таку емісію називають нормальною. Однак ціфотокатоди не знайшли застосування через велику роботу виходу, при якій неможна одержати емісію при опроміненні їх видимою частиною спектра. Уфотоелементах і фотопомножувачах використають складні тонкоплівкові катоди,наприклад сурм'яно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронноюемісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра.
Чутливість – основний параметр фотоелектронного приладу.Розрізняють інтегральну (світлову) і спектральну чутливість.
Інтегральна чутливість– це чутливістьфотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світловому потоку. Вонавизначається як фотострум, викликуваний загальним світловим потоком в 1 люмен:
S = Iф\ Ф (1.11)
Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світлаобраний стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання 100 Вт притемпературі нитки 2850 К.
Інтегральну чутливість можна визначити по світловійхарактеристиці.
Спектральна чутливість– це чутливістьфотокатода до монохроматичного світла. Вона визначається як фотострум, щоприходить на 1 люмен світлового потоку даної довжини хвилі:
S/> = Iф\Ф/> (1.12)
Спектральні властивості фотокатода визначають по спектральнійхарактеристиці, що являє собою залежність спектральної чутливості віддовжини хвилі випромінювання.
S/> = f (λ)при Ф = const (1.13)
При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристикавідображає закон Ейнштейна (рис 1.1, б): зі збільшенням λ, тобтозменшенням n, кінетична енергія та швидкість емітованнихелектронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф=const.Фотоелектронна емісія припиняється при λо відповідно порогу no.
При виборчий фотоелектронной емісії спектральна характеристика маємаксимум у певній частині спектра. На рис. 1.1, в наведена як прикладспектральна характеристика сурм'яно-цезієвого фотокатода, що використовується уфотопомножувачах. Цей катод найбільш чутливий до видимої частини спектра (віджовто-зелених до синьо-фіолетових променів); для нього λо = 0,7 мкм.
2. Основні типи фотоелектронних приладів
2.1 Фотоелементи
Електровакуумним фотоелементом називається вакуумнийприлад, що має фотокатод та анод. Балон фотоелемента виконується зі скла змалим коефіцієнтом поглинання випромінювання в робочому для приладу діапазоніспектра. У фотоелементів, призначених для роботи в УФ-області спектра, у балоніробиться вікно з матеріалу, прозорого в цій області. Деякі фотоелементи маютьметало-скляні балони. Конструкції фотоелементів досить різноманітна залежно відпризначення приладу. Класифікаційними ознаками можуть бути спектральний робочийдіапазон, тип і конструкція фотокатода, режими роботи та області застосування.По областях застосування фотоелементи зручно об'єднати в три основні групи.
До першої групи можна віднести фотоелементи, призначені дляреєстрації порівняно слабко змінних у часі потоків випромінювання,інтенсивність яких набагато більше граничної. Ці фотоелементи застосовуються узвуковідтворюючій кіноапаратурі, у фототелеграфії, у схемах автоматики таконтрольно-вимірювальних пристроїв. Фотоелементи цієї групи звичайно працюютьіз довільними джерелами світла, тому основними вимогами до приладів є наявністьвисокої інтегральної чутливості, а також їхня довговічність і взаємозамінність.
Балон фотоелементів, що випускають для зазначених цілей, являєсобою сферу, на частину внутрішньої поверхні якої нанесений масивний фотокатод.Анод виконується у вигляді кільця, сітки, петлі з тонкого дроту, що перебуваютьзвичайно в центрі сфери. Електроди виводяться у вигляді твердих штирів узагальний цоколь або розносяться у два самостійних циліндричних виводи. Типовіконструкції фотоелементів першої групи наведені на рис. 2.1.
До другої групи відносяться фотоелементи, які використовуються длявиміру слабких повільно змінних потоків випромінювання різного спектральногоскладу, а також для точного виміру світлових потоків у фотометрії. Уфотоелементах 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. Длязниження струмів витоку вводиться третій електрод – охоронне кільце. Електродиможуть мати тверді виводи у вигляді штирків і циліндрів та гнучкі виводи – металевістрічки та дротики. Деякі конструкції фотоелементів другої групи представленіна рис. 2.2.
До характеристик і параметрів розглянутих фотоелементівпред'являються більше суворі вимоги, обумовлені їхнім призначенням.Фотоелементи повинні мати високу стабільність спектральних характеристик,лінійністю світлової характеристики, достатньо велике значеннями спектральноїта 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, тривалістьяких може становити десяті частки наносекунди. Імпульсні струми фотоелементаможуть досягати десятків амперів, а напруга між електродами – декількохкіловольтів. Такі прилади знаходять широке застосування в лазерній техніці,ядерній фізиці, нелінійній оптиці і в імпульсній фотометрії.
Масивні фотокатоди потужнострумових фотоелементів наносяться наметалеві пластини. Конструюються імпульсні фотоелементи. за принципомнадвисокочастотних приладів. Мала відстань між електродами та сильне електричнеполе забезпечують невеликий час прольоту електронів від фотокатода до анода.Деякі фотоелементи мають коаксіальний вивід, що дозволяє включати фотоелементбезпосередньо в роз’їм коаксіального кабелю, погодженого з низькомнимнавантаженням. Конструкція деяких типів імпульсних потужнострумовихфотоелементів приведена на рис. 2.3.
/>
Рис. 2.3 – Конструкція деяких видів імпульснихпотужнострумових фотоелементів [6]: анод; фотокадот.
У паспорті приладу звичайно вказується номер типовоїхарактеристики відносної спектральної чутливості та абсолютне значеннямаксимальної спектральної чутливості.
Вольт-амперні характеристики фотоелементів. При освітленніфотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами об'ємнийзаряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний,тобто має місце режим об'ємного заряду фотоелемента. Для плоскопараллельної тациліндричної системи електродів анодний струм фотоелемента має залежність віданодної напруги, близьку до закону ступеня трьох других. Анодний струм уфотоелементі, як і в вакуумному діоді, з'являється при невеликій негативнійнапрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії вбільшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода.
Коли напруга анода досягає певного значення, анодний струм стаєрівним току фотоемісії і його ріст майже припиняється. Напруга насиченнязалежить від конструкції фотоелемента, типу фотокатода та від значенняпадаючого потоку випромінювання. Подальше підвищення напруги приводить до дужеслабкого зростання фотоструму за рахунок ефекту Шотткі та поліпшення зборуелектронів на анод. У фотоелементах з напівпрозорим фотокатодом, що має великийпоздовжній опір (без провідної підкладки), при роботі в імпульсному режимі збільшими потоками випромінювання насичення фотоструму не відбувається. Цепов'язане із вторинною емісією електронів з вилучених від катодного водаділянок фотокатода, які при протіканні струму уздовж шару здобувають позитивнийпотенціал. Різниця потенціалів між ділянками фотокатода може досягати значення,при якому коефіцієнт вторинної емісії буде більше одиниці. На рис. 2.4, анаведене сімейство вольт-амперних характеристик фотоелемента з масивнимфотокатодом, а на рис. 2.4, б – фотоелемента з високим поздовжнімопором фотокатода.
Світлові характеристики фотоелементів, що працюють у режимінасичення, відповідно до закону Столетова лінійні. При великих потокахвипромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовленеутворенням об'ємного заряду або стомленням фотокатода. За межу лінійностісвітлової характеристики приймається значення анодного струму, при якомувідхилення від прямої пропорційності фотоструму падаючому потоку випромінюванняне перевищує заданого значення. У фотоелементів, що працюють у безперервномурежимі, межа лінійності не перевищує 10-4 А. В імпульсному режиміопромінення при високих напругах анода це значення доходить до десятківамперів.
/>
Рис. 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристикфотоелементів [7]: а – фотоелемента із масивним фотокатодом; б – фотоелементаіз напівпрозорим фотокатодом
За аналогією з електронними лампами по сімейству вольт-амперних ісвітлових характеристик фотоелемента можна визначити чутливість і внутрішнійопір R/> приладу відповідно яктангенс кута нахилу світлової характеристики та котангенс кута нахилувольт-амперної характеристики до осі абсцис.
Опір навантаження може включатися в ланцюг анода або фотокатода.При заданої ЕРС джерела живлення опір навантаження вибирається таким, щобробоча точка А лежала в межах області насичення вольт-амперниххарактеристик (рис. 2.5). У цьому випадку робоча світлова характеристикафотоелемента з навантаженням буде збігатися зі статичної, тобто залишатисялінійної в межах вимірюваних потоків.
/>
Рис. 2.5 – Зв'язок між вольт-амперними та світловимихарактеристиками фотоелементів
Чутливість по напрузі (вольтова чутливість) фотоелемента знавантаженням, що працює в режимі насичення при Ri>> Rн дорівнює:
Su = S Rн (2.1)
Частотна характеристика. Частотні властивості фотоелементавизначаються часом прольоту електронів від фотокатода до анода та часомперезарядження паразитної міжелектродної ємності через опір навантаження (часомсхемної релаксації). Час прольоту електронів залежить від відстані міжелектродами та від напруги анода. В імпульсних потужнострумових фотоелементах змалими міжелектродними відстанями та високими анодними напругами час прольотуне перевищує 10-11 – 10-10 с. В інших фотоелементах воностановить 10-9 – 10-8 с.
Опір навантаженняімпульсних потужнострумових фотоелементів становить кілька десятків Ом, аміжелектродна ємність – одиниці пікофарад, тому гранична частота таких приладівдоходить до 109 Гц, Ємність анод-катод фотоелементів першої тадругої груп становить кілька десятків пікофарад, і їхня гранична частота восновному залежить від опору навантаження.
Стабільність чутливості фотоелементів. При подачі нафотоелемент, включений у ланцюг джерела живлення, потоку випромінюваннявідбувається зміна його чутливості (як правило, спад).:Через якийсьчас значення чутливості стабілізується і може повністю або частково відновитисяпісля 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, пов'язане 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: струмтермоелектронної емісії фотокатода та струм витоку між електродами. Струмавтоелектронної емісії фотокатода може мати порівнянне з названими компонентамизначення при напругах анода біля декількох кіловольтів. При настільки високихнапругах працюють тільки потужнострумові фотоелементи, для яких рівень темнавогоструму не має суттєвого значення.
Струм термоемисії фотокатода, що займає у фотоелемента більшуплощу, при кімнатній температурі досягає значень 10-11 – 10-10А. У зв'язку з тим, що цей компонент визначається типом фотокатода татехнологією його одержання, зменшення термотока можливо тільки шляхом зниженнятемператури або зменшення розмірів фотокатода.
Струм витоку по зовнішній і внутрішній сторонах скла колби, атакож по цоколі при робочих напругах 200–300 В має значення в межах 10-9–10-7А.Для підвищення опору ізоляції при конструюванні фотоелементів збільшуютьвідстань між вводами, а на зовнішню поверхню балона наносять вологостійкепокриття. У конструкції фотоелементів, призначених для виміру дуже малихпотоків, передбачене охоронне кільце, уварене в балон між виводами фотокатодата анода. Цей електрод з'єднують із негативним або позитивним полюсом джерелаживлення залежно від того, у катодний або анодний ланцюг фотоелемента включенівимірювальний прилад або опір навантаження (рис. 2.6). Завдяки охоронномукільцю струм витоку не протікає через вимірювальний прилад.
/>
Рис. 2.6 – Схема включення фотоелемента с охоронним кільцем
Ефективним способом зниження темнових струмів є використаннябалансових (мостових) схем включення фотоелемента. На рис. 2.7 показанасхема балансового електрометричного катодного повторювача з фотоелементом увхідному ланцюзі. Напруга від протікання темнового струму через резистор R1на вході лівоїлампи компенсується на виході такою же напругою, що виникає від протіканняструму затемненого фотоелемента через резистор R2на входіправої лампи. Зміна вологості та температури навколишнього середовища викликаєоднакова зміна темнових струмів у двох плечах балансової схеми, томувимірювальний прилад не реагує на ці зміни. При відсутності вимірюваного потокупотенціометром Rовиробляється початкова установка вимірювального приладу нануль.
/>
Рис. 2.8 – Схема балансного електрометричного катодногоповторювача с фотоелементом в вхідному ланцюзі
Для виділення корисного сигналу з темнового струму інодізастосовується модуляція вимірюваного потоку випромінювання за допомогоюоптичного затвора, наприклад диска що обертається із прорізями. Модульований здеякою частотою струм сигналу легко виділяється шляхом фільтрації з повільномінливого темнового струму. При необхідності сигнал після фільтра може бутивідновлений у первичний вигляд за допомогою детектірованія.
Граничний потік фотоелемента, включеного у вхідний ланцюгпідсилювального каскаду, визначається чутливістю фотоелементу до потоку
даного спектрального складу та сумарним шумовим струмом у вхідномуланцюзі підсилювача. Дуже слабкий фотострум звичайно не піддається прямимвимірам, і потрібно його попереднє посилення. Для цього в ланцюг фотоелементавключається високоомний резистор, напруга сигналу з якого надходить напідсилювач із високим вхідним опором.
2.1 Фотоелектронні помножувачі
Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – цеелектровакуумні прилади, у яких струм фотоелектронної емісії підсилюється задопомогою вторинної електронної емісії.
При вимірі дуже слабких потоків випромінювання вихідний сигналфотоелементів доводиться підсилювати. Граничний потік фотоприйомного пристрою зфотоелементом, багато в чому залежить від оптимального узгодження фотоелементаіз вхідним ланцюгом підсилювального пристрою, що часто зв'язано зі значнимитруднощами. Такі важливі параметри фотоприйомного пристрою, як широкополосністьі поріг чутливості, значною мірою визначаються параметрами підсилювача. Тому напрактиці дуже рідко вдається реалізувати граничні можливості електровакуумногофотоелемента.
Істотними перевагами при вимірі слабких сигналів володіють ФЕП, уяких фотоелемент сполучається з убудованим у загальний балон підсилювачемфотоструму. Для посилення струму використаються емітери вторинних електронів – диноди.Підсилювач струму, побудований на динодах, називається вторинно-електроннимпомножувачем.Вінскладається з ряду послідовно розташованихдинодів, кожний з яких має потенціал більше високий, чим попередній. Напругаміж будь-якими динодами повинне бути достатнім для того, щоб коефіцієнтвторинної емісіїбув більше одиниці. Вторинно-електронний помножувачможна використати в приладах з будь-яким джерелом первинних електронів, аленайбільш 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, помножувальнасистема(вторинно-електронний помножувач), анод і балон. Катодна камерамістить у собі фотокатод 1та електронно-оптичну систему 2, щозабезпечує збір електронів з усією поверхні фотокатода на перший динод 3 помножувальноїсистеми. Електронний потік, кількість електронів у якому збільшується в міруруху від динода до динода, пройшовши помножувачу систему, надходить на анод 4,що представляє собою металеву пластину, штир або мілкоструктурну сітку. БалонФЕП – це, як правило, скляний циліндр, з однієї сторони якого перебуває оптичневікно, а з іншого боку – багато штиркову ніжку. Приварені до електродів ФЕПвводи можуть мати гнучкі або тверді зовнішні частини. На бічну поверхню балонаФЕП іноді наносять світлонепроникне покриття, що захищає фотокатод і диноди відзовнішніх засвіток. Напруга на електроди ФЕП подається через дільник, вбудованийабозовнішній, який входить у блок живлення ФЕП.
Потік випромінювання, що падає на фотокатод, частково поглинаєтьсята викликає фотоелектронну емісію. Емітовані електрони прискорюються тафокусуються в катодній камері на перший динод. Частина електронів не попадає наповерхню динода через недосконалість електронно-оптичної системи катодноїкамери. Ефективність збору фотоелектронів /> наперший динод являє собою відношення кількості електронів, що досягають першогодинода до кількості електронів емітованих фотокатодом. При прольотах міждинодами частина електронів також розсіюється. Відношення кількості електронів,емітованих с динода і що брали участь у подальшому помножуванні, к повнійкількості електронів, які вилетіли с динода називається ефективністю каскадупосилення g.
Помножувальна система сучасних ФЕП містить у собі від 7 до 14динодів, що мають коефіцієнт вторинної емісії від 3 до 8. Ефективність зборукаскаду посилення ФЕП лежить у межах 0,7 – 0,95. Коефіцієнт підсилення ФЕПзалежно від їхнього призначення може бути від 103 до 108.Середнє значення вихідного (анодного) струму ФЕП, як правило, не перевищуєдекількох міліамперів. Для того щоб струм динодів, протікаючи через опоридільника, не приводив до помітної зміни напруги між каскадами, опір резисторіву дільнику не повинні бути дуже великими. Тому на практиці задаються струмомдільника, в 10–100 разів перевищуючий струм останнього динода.
Спектральні характеристики ФЕП, як і спектральні характеристикифотоелементів, визначаються типом застосовуваного фотокатодада. Типспектральної характеристики і абсолютне значення спектральної чутливостіфотокатода S/>λ/> на певній довжині хвилівказують у паспорті на ФЕП.
Характеристики і параметри ФЕП, вимірянні при постійних значенняхпотоків випромінювання і напруг, що прикладають до електродів, називаютьсястатичними. Здатність ФЕП реєструвати імпульсні потоки випромінюванняхарактеризують імпульсні параметри.
Статичні характеристики та параметри ФЕП. Спектральноючутливістю ФЕП називається відношення анодного струму до падаючого на фотокатодмонохроматичному потоку випромінювання.
Світлова анодна чутливість ФЕП – відношення анодного струму досвітлового потоку джерела типу А, Анодна чутливість ФЕП дорівнюєчутливості фотокатода, помноженої на коефіцієнт підсилення, тобто світловаанодна чутливість Sv =MSVK, а спектральначутливість ФЕП Se λ= MSe λ/>.Анодначутливість виміряється при рівномірному висвітленні всієї поверхні фотокатода.Якщо послідовно висвітлювати різні ділянки фотокатода вузьким пучком, то можнавиявити нерівномірність чутливості по поверхні фотокатода.
Залежність чутливості від координат ділянок висвітленняназивається зонною характеристикою. На рис. 2.10 наведена зоннахарактеристика одного із приладів, виміряна по діаметру фотокатода. Зміначутливості ФЕП при висвітленні різних ділянок фотокатода обумовленонерівномірністю чутливості фотоемісійного шару та неоднаковістю зборуелектронів з різних ділянок фотокатода на перший динод.
/>
Рис. 2.10 – Зонна характеристика ФЕП
Світлова характеристика ФЕП– залежність анодногоструму від потоку випромінювання при постійній напрузі живлення. При невеликихпотоках випромінювання світлові характеристики лінійні. Відхилення відлінійності характеристик у міру росту потоку випромінювання в статичному режимівизначається 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 об'ємного зарядуперед анодом. Це також приводить до нелінійності світлової характеристики. Вімпульсному режимі межа лінійності світлової характеристики може становитикілька ампер. Щоб запобігти переходу ФЕП в режим об'ємного заряду, необхідно підвищуватинапруги на останніх каскадах множення.
На рис. 2.11 наведене сімейство статичних світловиххарактеристик ФЕП при різних напругах живлення.
/>
Рис. 2.11 – Сімейство статичних світлових характеристик
Чутливість ФЕП при різних напругах живлення може бути визначена яктангенс кута нахилу світлової характеристики.
Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП показана нарис. 2.12. Зі збільшенням напруги чутливість, пропорційна коефіцієнтупідсилення ФЕП, росте за степеневим законом. Швидкість росту (нахилхарактеристик) залежить від помножувально-емісійних властивостей динодів ічисла каскадів помножувальної системи. У паспортах ФЕП звичайно указуютьфіксовані напруги живлення, що відповідають номінальним значенням світловоїанодної чутливості: 1,3,10, 30, 100 А/лм…
/>
Рис. 2.12 – Залежність анодної чутливості від напругиживлення ФЕП
Анодна характеристика ФЕПпоказуєзалежність анодного струму (або анодної чутливості) від напруги між анодом таостаннім динодом. На рис. 2.13 зображене сімейство анодних характеристикФЕП при різних потоках випромінювання та незмінній напрузі на каскадахпосилення.
/>
Рис. 2.13 – Анодні характеристик ФЕП при двох фіксованих значенняхпотоку випромінювання
Крутий ділянка характеристики відповідає режиму об'ємного заряду,що утвориться між анодом та останнім динодом. При збільшенні напруги приладпереходить у режим насичення, що є робочим режимом ФЕП. При виборі опорунавантаження необхідно звернути увагу на те, щоб робоча точка не виходила замежі області насичення характеристик (рис. 2.13).
Темпової струм ФЭУ має наступні складові:
– посилений помножувальной системою струм термоелектронноїемісії фотокатода, електродів катодної камери та перших одного-двох динодів(внесок струмів термоемісії інших динодів малий, тому що ці струми проходятьменше каскадів посилення);
– струм автоелектронної емісії динодів, що також можепідсилюватися помножувальною системою;
– струм витоку між анодом та іншими електродами;
– струми, викликані іонними і оптичними зворотними зв'язками(ці струми умовно ставляться до темнавих, тому що їхнє значення визначаєтьсящільністю електронного потоку у ФЕП).
Висновки
В даній роботі було розглянуто будову, класифікацію, основніпараметри, а також фізичні основи роботи фотоелектронних приладів.
В результаті виконання роботи було з’ясовано, що:
1. Фотоелектричні приладами – електронні прилади, у якихздійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.
2. Фотоелектричні прилади можна класифікувати за різнимихарактеристиками, але в основному їх класифікують в залежності від типуробочого середовища на фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом(електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі), фотоелектричні прилади ізвнутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори) та фотоелектричніприлади із внутрішнім фотоефектом у р-п-структурах (напівпровідниковіфотоелементи, фотодіоди, фото транзистори).
3. Фізичні принципи дії фотоелектронних приладів, визначаєтьсяперетворенням енергії оптичного випромінювання в електричну.
4.Кожна з функціональних груп фотоелектричних приладів характеризуєтьсяспецифічною 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. Фотоэлеткронниеприбори. 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. Электровакуумниеприбори и основи их конструирования. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. – 424 с.
7. Жигарев А.А., Шамаев Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные прибори. Москва: Вишаяшкола, 1982. – 463 с
8. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумние фотоэлетронныеприборы. Москва: Радио и Связь, 1988. – 272 с.
9. Кациельсов Б.В., Калугин А.М. Ларинов А.С. Электровакуумние игазоразрядние прибори. – Москва: Радио и Связь, 1985. – 864 с.