Электровакуумные фотоэлементы

Работа основана на явлении фотоэлектронной эмиссии (внешний фотоэффект), сущность которого состоит в испускании электронов твердыми телами под действием э/м излучения в вакууме. Внешний фотоэф-т возникает в результате 3 процессов:

А)Поглощение фотона и появление внутри ТТ электронов с существенно более высокой энергией, чем средняя при данной темп-ре.

Б)Движение этих электронов к поверхности Me.

В)Выход с поверхности в другую среду –вакуум, ч/з границу раздела.

Выделяют закономерности внешнего фотоэф-та:

1)Кол-во испускаемых электронов прямопропорционально падающему световому потоку (интенсивности излуч-я)

2)Для каждого вещ-ва существует порог, т.е.min частота э/м излуч-я ( мах λ), за которым фотоэф-т не возникает-красная граница фотоэф-та.

3)Кинет.энергия вылетающих с поверхности катода электронов линейно увеличивается с частотой излучения.

4)Внешний фотоэф-т возникает, если энергия излучения превышает работу выхода электрона данного Ме:

hν=Aвых.+Wк hν≥ Aвых.

Кол-ной харак-кой фотоэлектронной эмиссии явл-ся квантовый выход электронов, который определяется числом вылетающих электронов, приходящихся на 1 фотон.

Технически фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, из которого откачен воздух до давления 10^-6мм.рт.ст. Почти половина внутренней поверхности баллона покрыта Ме (цезием-имеет наименьшую работу выхода), он служит катодом. Анод в виде кольца или круглой пластинки меньших размеров, расположен в центре баллона. Обычно баллон выполнен из стекла, которое пропускает излуч-е, обеспечивая наивысшую чувствительность фотоэлемента. Наибольшую чувствительность обеспечивают УФ лучи. При работе вакуумный фотоэл-т соединен последовательно со стабилизирующим источником напряжения и резистором. Напряжение ИП 80-300В. Вылетающие под действием света фотоэлектроны движутся в пространстве от К к А. Протекающий ток-фототок. На нагрузке Rн возникает падение U~I. При необходимости, когда U мало используют усилители const U. Область спектральная чувствительности вакуумных элементов 0,16-1,20мкм. Как правило это видимый диапазон. Чувствительность S=0,3-0,7мкА/мм.

Описанный фотоэл-т имеет имеет недостаток: его чувствительность мала. Этот недостаток снимают с использованием другого вида электровакуумного фотоэл-та-фотоэлектронный умножитель. Это вакуумные фотоэл-ты с дополнительными устройствами, которые называют вторичными электронными умножителями: они сами способны усиливать эл.ток, который возникает под действием э/м излучения. Фотоэлектронный умножитель выполнен в виде стеклянного баллона разной формы (T,□), из которого откачен воздух. Внутри катод, на который направляют поток излучения, несколько ковшеобразных электродов – диноды, и анод А. Для формирования соответствующих потенциалов на этих электродах исп-т цепочку резисторов, которая при последовательном подключении к источнику играет роль делителя U, так что м/д соседними динодами по ходу эл. луча потенциал увеличивается. Принцип действия ФЭУ основан и на фотоэл-ой эмиссии (при воздействии света на катод) и на использовании вторичной эл.эмиссии.

При воздействии потока оптического излучения на фотокатод из него вылетают электроды, кот.собираются со всей пов-ти К и через диафрагму, ускоряясь под действием эл.поля, направляются на 1 динод. Эти электроны-первичные, попадая на 1 динод, взаимодействуют с электронами его вещ-ва и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть этих электронов перемещается к границе динода с вакуумом. При этом электроны, достигающие поверхности с энергией, превышающей поверхностный потенциал барьера, переходит в вакуум(эффект вторичной электронной эмиссии). Они ускоряются эл.полем и перемещаются ко 2 диноду, а со 2 на 3ий и т.д.

Диноды подключены к делителю напряжения так, что м/д ними создается эл.поле,ускоряющее электроны. Разность потенциалов м/д соседними динодами 100-150 В. При ударе электронов о каждый из динодов в зависимости от материала динода м энергии электронов из динода может выбиваться несколько вторичных электронов. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называют коэффициентом вторичной электронной эмиссии σ. Совокупность динодов представляет собой вторично-электронный умножитель.

Число электронов собираемых на аноде можно определитьNa=Nk*γk*Пσiγi,П от i=1..n, Nk-число электронов, вылетающих из К, γk-коэф-т сбора этих электронов, число показывает ск-ко из Nk попадает на 1 электрод, σi-коэф-т вторичной эл.эмиссии i-ого динода, γi- коэф-т эффективности, Пσiγi=К-коэф-т усиления.

Если считать Na-является числом электронов, попадающих на 1 динод в единицу времени t,то I=e*Na-мах значение тока. У современных ФЭУ сила тока на выходе =12А, при К=10^7 и σ=4.

ФЭУ грамосткие: 10-25 см. Большие возможности для их минитюаризации представляются при использовании канальных ФЭУ,в которых применяется с распределенным электрическим R. Такой динод представляет собой электропроводящий слой,сформированный на внутренней поверхности изготовленного из специального стекла корпуса. Слой наносится путем термообработки в водороде и имеет R=10^8Ом. Слой непосредственно подключается к высоковольтному источнику питания. При подаче высоковольтного напряжения к концам этого трубчатого слоя (канала) по нему протекает эл.ток, создавая падение напряжения вдоль канала. Электрон, вылетающий из фотокатода, под действием эл.поля направляется в канал,а вторичный электрон,выбитый при этом из внутренней стенки канала,под действием эл.поля ускоряется и,перемещаясь вдоль канала,ударяется о стенки этого канала в точке с более высоким потенциалом.Значение усиления коэффициента зависит от отношения длинны канала к его диаметру,напряженя на концах канала,вторично-эмиссионых свойств электропроводящего слоя и может составлять 10^6 и 10^7 при U=2500В.Для увеличения коэффициента усиления канальных ФЭУ их иногда изготовляют в форме винтовой спирали(спиральтрон).Спектральная характеристика чувствительности ФЭУ находится в диапазоне длин волн 0,16-1,20мкм,а их чувствительность составляет 1-5000А/лм.

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Вентильный фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело или жидкость .

Фоторезистор- полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость.

Спектральная характеристика отображает чувствительность фоторезистора при действии на него излучения определенной длины волны. Чувствительность зависит от самой области спектра материала светочувствительного элемента.

Люкс-амперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от освещенности. Полупроводниковые фоторезисторы имеют обычно нелинейные люкс-амперные характеристики.

Вольтамперная характеристика фоторезисторов показывает зависимость светового тока, протекающего через резистор, от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика фоторезисторов линейна в широком интервале напряжения. Линейность нарушается только при малых значениях напряжения.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n- перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения. Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости. Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения Uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи.

Характеристики:

вольт-амперная характеристиказависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ)

спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

постоянная времени это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

темновое сопротивление сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

Фототранзистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Выходные характеристики подобны выходным характеристикам биполярного транзистора, но теперь положение харатеристик определяется не током базы, а уровнем освещённости.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Применение

Фототранзистор можно включать по схемам со свободным коллектором, со свободной базой и со свободным эмиттером. На фототранзистор можно подавать оптические и электрические сигналы. Без входного электрического сигнала, который обычно необходим для смещения, компенсирующего наводки, фототранзистор работает как фотодиод с высокой интегральной чувствительностью, небольшой граничной частотой и большим темновым током. Фототранзисторы целесообразно использовать для регистрации больших световых сигналов; при регистрации малых световых сигналов следует подать положительное смещение на базу. Применяют два варианта включения фототранзисторов: диодное — с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора) и транзисторное — с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы. Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников в транзисторных оптопарах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: