Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційних технологій

Кафедра прикладної фізики

Комплексний курсовий проект зі спеціальності

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Студента гр. ЕП-01 О.О. Демиденко

Науковий керівник

Асистент О.В. Пилипенко

Суми - 2014

Зміст

Вступ

Розділ 1. Фізичні основи роботи фотоелектронних приладів

1.1 Види фотоефекту

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

Розділ 2. Фотоелектронні прилади та їх параметри

2.1 Електровакуумні фотоелементи

2.2 Напівпровідникові фотоелементи

2.3 Фотоелектронні помножувачі

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

Актуальність даної теми випливає з того, що в повсякденному житті людина постійно користується електроприладами. Важливість ролі електроніки в нашому житті обумовлена технічним прогресом, котрий в свою чергу є результатом розумової діяльності людини, з метою полегшити своє життя. Важко уявити наше життя без складних пристроїв та гаджетів.

Досить важлива роль, яку фотоелектронні прилади відіграють у сучасній техніці, електроніці і в наукових дослідженнях, визначила їхній інтенсивний розвиток, що почався в тридцятих роках двадцятого сторіччя і безупинно триває аж до теперішнього часу.

В останнє десятиліття значний інтерес прикутий до розвитку альтернативних джерел електроенергії. Це є однією з головних рушійних сил у розвитку фотоелектронних приладів які є фундаментальними для перетворення сонячної енергії в електричну. На сонячну енергію сьогодні покладаються великі надії і можливо в недалекому майбутньому людство зможе замінити шкідливі та небезпечні теплові і атомні електростанції на майже екологічно чисту та невичерпну сонячну енергетику.

Теоретичне значення теми курсового проекту полягає у дослідженні явища зовнішнього і внутрішнього фотоефекту та можливість удосконалення його застосування у приладобудуванні.

Практичне значення теми курсового проекту полягає у з'ясуванні та вирішенні проблем з якими зіштовхуються при виготовленні та експлуатації фотоелектронних приладів та впливу різноманітних факторів на їх параметри.

Фотоелектронними приладами називають електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

Мета даного курсового проекту полягала у дослідженні фотоелектронних приладів, а саме їх будови, процесу виготовлення та параметрів.

Розділ 1. Фізичні основи роботи фотоелектронних приладів

1.1 Види фотоефекту

Фотоелектронним приладом називають електронний прилад, призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну. Принцип дії цих приладів заснований на зміні електричних властивостей речовини під дією падаючого 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 фотопомножувачів [1].

Фотоелектричним ефектом, або фотоефектом називається випускання електронів речовиною під дією світла. Це явище було відкрито Г.Герцом у 1887 році. Він помітив, що проскакування іскри між кульками розрядника значно полегшується, коли одну з кульок освітити ультрафіолетовими променями. У 1888-1889 рр. А.Г.Столєтов провів систематичне дослідження фотоефекту за допомогою установки, схема якої показана на рис.1.1.

Рис. 1.1. Установка для дослідження зовнішнього фотоефекту [2]

Конденсатор, що утворений дротяною сіткою й суцільною пластиною, був включений послідовно з гальванометром G у ланцюг батареї. Світло, проходячи через сітку, падало на суцільну пластину. У результаті в електричному колі виникав струм, який реєструвався гальванометром [2].

Відмітимо, що вперше фотоефект спостерігався в електроліті Александром Беккерелем в 1839 році [3].

Ленард й інші дослідники вдосконалили прилад Столєтова (рис. 1.2.), помістивши електроди в ізольований балон. Світло, що проникає через кварцове віконце Кв, освітлює катод К, який виготовлений з досліджуваного матеріалу. Електрони, вибиті внаслідок фотоефекту, рухаються під дією електричного поля до анода А. У результаті цього у електричному колі приладу проходить фотострум, який вимірюється гальванометром G. Напругу між анодом і катодом можна змінювати за допомогою потенціометра П.

Рис. 1.2. Установка Ленарда для дослідження зовнішнього фотоефекту [2]

Отримана на такому приладі вольт-амперна характеристика (тобто крива залежності фотоструму I від напруги між електродами U ) наведена на рис. 1.3. Зрозуміло, що вольт-амперна характеристика знімається при незмінному потоці світла F. Із цієї кривої видно, що при деякій не дуже великій напрузі фотострум досягає насичення - всі електрони, які випущені катодом, потрапляють на анод. Отже, сила струму насичення Iн визначається кількістю електронів, які випускаються катодом за одиницю часу під дією світла.

Рис. 1.3. Вольт-амперна характеристика отримана Ленардом [2]

Пологий хід кривої вказує на те, що електрони вилітають із катода з різними за величиною швидкостями. Частина електронів, що відповідає силі струму при нульовій напрузі, має швидкості, які є достатніми для того, щоб долетіти до анода самостійно, без допомоги прискорювального поля. Для того щоб сила струму стала дорівнювати нулю, потрібно прикласти затримуючу напругу Uз. При такій напрузі жодному з електронів, який навіть має при вильоті з катода найбільше значення швидкості, не вдається перебороти затримуюче поле й досягти анода [2].

Внутрішнній фотоефект може бути двох видів: фоторезистивний ефект - зменшення електричного опору напівпровідника під дією падаючого світла; фотогальванічний ефект - виникнення на р-n 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 [4].

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:

, (1.1)

де h - стала Планка, - частота випромінювання.

Частота обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання л:

, (1.2)

де с - швидкість світла, - довжина хвилі.

Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилі випромінювання:

, (1.3)

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

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

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

, (1.4)

де - робота виходу.

Підставивши сюди значення , та , отримаємо:

, (1.5)

звідки

, (1.6)

де h, c та e (заряд електрона) - постійні, - робота виходу в електрон-вольтах, яка залежить від матеріалу катода [5].

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

Фотоелектронна емісія являє собою електронну емісію під дією електромагнітного випромінювання. Емітуючий електрод при цьому називають фотоелектронним катодом, а випущені ним електрони - фотоелектронами [5].

Закони Столетова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії.

Дослідним шляхом були встановлені три закони фотоефекту:

1) Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла й не залежить від його інтенсивності.

2) Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто така найменша частота світла , при якій ще можливий фотоефект.

3) Число фотоелектронів, що вириваються з катода за одиницю часу (струм насичення Iн ), прямо пропорційне інтенсивності світла [2].

Установлені експериментально залежності не вкладаються в рамки класичних уявлень. Наприклад, швидкість фотоелектронів за класичними поняттями повинна зростати з амплітудою, а отже, і з інтенсивністю електромагнітної хвилі. фотоелектронний прилад емісія напівпровідниковий

, (1.7)

де - інтенсивність світлового потоку, Ф - світловий потік у люменах, S - коефіцієнт пропорційності, який називають чутливістю фотокатода та вимірюють в мікроамперах на люмен.

Закон Столєтова 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.

а б в

Рис. 1.4. Характеристики фотокатода: світлова (а) та спектральні (б, в) [5]

Світлова характеристика - це залежність фотоструму від світлового потоку при постійному спектральному складі світла та незмінній анодній напрузі, її нахил залежить від чутливості фотокатода [6].

У 1905 р. А. Ейнштейн показав, що всі закономірності фотоефекту легко пояснюються, якщо припустити, що світло поглинається такими самими порціями, якими він, за припущенням Планка, випромінюється. На думку Ейнштейна, енергія, отримана електроном, передається йому у вигляді кванта, який ним поглинається повністю. Частина цієї енергії, яка дорівнює роботі виходу A, витрачається на те, щоб електрон міг покинути тіло. Якщо електрон звільняється світлом не біля поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії, яка дорівнює E, може бути загублена внаслідок випадкових зіткнень у речовині. Залишок енергії утворює кінетичну енергію Ek електрона, який покинув речовину. Енергія Ek буде максимальною, коли E = 0. У цьому випадку повинне виконуватися співвідношення яке називається формулою Ейнштейна для фотоефекту [2].

, (1.8)

де - маса електрона, - затримуюча напруга, v - швидкість електрона, e - заряд електрона.

Фотоефект і робота виходу залежать від стану поверхні металу (зокрема, від окисів, що знаходяться на ній, адсорбованих речовин). Тому довгий час не вдавалося перевірити формулу Ейнштейна з достатньою точністю. У 1916 р. Міллікен створив прилад, у якому досліджувані поверхні піддавалися очищенню у вакуумі, після чого вимірялася робота виходу й досліджувалася залежність максимальної кінетичної енергії фотоелектронів від частоти світла (ця енергія визначалася шляхом виміру затримуючого потенціалу Uз). Результати виявилися в повній відповідності до формули (1.8).

З формули (1.8) випливає, що у випадку, коли робота виходу A перевищує енергію кванта, електрони не можуть покинути метал.

Частота ₀ або довжина хвилі л₀ при якій ще можна спостерігати фотоефект називається червоною межею фотоефекту [2].

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 використовують складні тонкоплівкові катоди, наприклад сурм'яно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронною емісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра [7].

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

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

, (1.9)

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:

, (1.10)

де - спектральна чутливість, - світловий потік даної довжини хвилі.

Спектральні властивості фотокатода визначають по спектральній характеристиці, що являє собою залежність спектральної чутливості від довжини хвилі випромінювання при сталому світловому потоці [8].

При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна: зі збільшенням л, тобто зменшенням , кінетична енергія та швидкість емітованних електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при сталому світловому потоці. Фотоелектронна емісія припиняється при л₀ відповідно порогу ₀.

При виборчий фотоелектронній емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.4.(в) наведена як приклад спектральна характеристика сурм'яно-цезієвого фотокатода, що використовується у фотопомножувачах. Цей катод найбільш чутливий до видимої частини спектра (від жовто-зелених до синьо-фіолетових променів); для нього л₀ = 0,7 мкм [9].

Розділ 2. Фотоелектронні прилади та їх параметри

2.1 Електровакуумні 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 ультрафіолетовій 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 об'єднати 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 [10].

Рис. 2.1. Конструкція фотоелементів [5]: 1 - анод; 2 - 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 [10].

Вимоги до фотоелементів обумовлені їхнім призначенням. На рис. 2.2. представлена конструкція деяких типів вимірювальних фотоелементів. Вони повинні мати високу стабільність спектральних характеристик, лінійністю світлової характеристики, достатньо велике значеннями спектральної та світлової чутливості, високою граничною чутливістю.

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 [6].

Рис. 2.2 - Конструкція вимірювальних фотоелементів [5]: 1 - фотокатод, 2 - охоронне кільце, 3 - анод

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, зв'язаного з низькомним навантаженням.

При освітленні фотокатода емітовані електрони утворять в просторі між електродами об'ємний заряд. Коли значення напруги анода мале, потенціал простору біля катода негативний, тобто має місце режим об'ємного 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, з'являється при невеликій негативній напрузі на аноді. Це пояснюється наявністю початкової кінетичної енергії в більшості фотоелектронів, що дозволяє їм переборювати гальмуюче поле анода [11].

Коли напруга анода досягає певного значення, анодний струм стає рівним струму 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 пов'язане 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 [12].

Світлові характеристики фотоелементів, що працюють у режимі насичення, відповідно до закону Столєтова лінійні. При великих потоках випромінювання світлова характеристика відхиляється від прямої, що обумовлене утворенням об'ємного 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 [5].

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.

Опір навантаження 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.

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^-7А. 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, вварене у балон між виводами фотокатода та анода. Цей електрод з'єднують 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 [10].

Рис. 2.3. Схема включення фотоелемента з охоронним кільцем [10]

Для виготовлення фотокатодів найчастіше використовують лужні метали (калій, натрій, цезій). В хімічному відношенні ці метали дуже активні: інтенсивно окислюються на повітрі (тому зберігати їх можна лише без доступу кисню під захистом шару нейтральної рідини чи у відкачаних скляних ампулах), реагують з водою, вступають в реакцію з воднем, тощо.

Широкого розповсюдження набули фотокатоди при виготовленні яких використовують сплави цезія з вісмутом і сурмою. На очищену підкладку катода безпосередньо у приладі напиляється плівка сурми товщиною 5 - 6 нм, яка складається з 15 - 20 атомних шарів. При оптимальній товщині плівки сурми коефіціент пропускання світла лампи розжарювання складає 75 - 85%. Потім плівка сурми при підвищених температурах оброблюється парами цезію. Іноді поверхня додатково очищується [13].

2.2 Напівпровідникові фотоелементи

Фоторезистор - елемент електричного кола, який змінює свій опір при освітленні. Принцип дії фоторезистора заснований на явищі фотопровідності - зменшенні опору напівпровідника при збудженні носіїв заряду світлом. Найпопулярнішим напівпровідником, на основі якого виготовляються фоторезистори, є CdS. Фоторезистори застосовуються у фотореле, які автоматично включають вуличне освітлення в сутінках, у турнікетах метро тощо [14].

Рис. 2.4. Будова фото резистора [15]: 1 - підкладка; 2 - світлочутливий метал; 3 - прозорий герметик; 4 - металеві виводи

Фотодіод - це приймач оптичного випромінювання, який перетворює падаюче на його фоточутливу область світло в електричний заряд за рахунок процесів в p-n-переході. Його можна класифікувати як напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність його вольт-амперної характеристики від освітленості.

Коли фотон, що має достатню енергію, потрапляє на фотодіод, в останньому відбувається внутрішній фотоефект: фотон збуджує електрон з матеріалу діода, таким чином створюючи пару носіїв заряду: вільний електрон і позитивно заряджену дірку. Якщо поглинання відбувається в області збіднення напівпровідника, ці нові носії виносяться з області її власним електричним полем. Завдяки цьому дірки рухаються до анода, а електрони до катода, і виникає фотострум. Струм фотодіода як діода визначається струмом неосновних носіїв (дрейфовий струм).

Фотодіоди використовуються в побутових електронних пристроях, зокрема програвачах компакт-дисків, детектори диму, приймачах для пультів дистанційного управління. Фотодіоди часто використовуються для точного вимірювання інтенсивності світла в науці та промисловості [16].

Рис. 2.5. Будова фотоприймача [17]

Більше поширення отримали фотодіоди фотоприймачі на основі p-i-n переходу (рис. 2.6.). Структура їх подібна структурі звичайного діода, але прилади забезпечені лінзою або просто прозорим вікном, через які світло потрапляє в активну область p-n переходу. Для отримання високої чутливості базова область фотодіода нерідко виконується з великою площею. Але це збільшує зворотний струм фотодіодів і їх власну ємність. Останнє знижує швидкодію фотодіода.

Варто особливо відзначити лавинні фотодіоди, що використовують ефект лавинного множення носіїв в обернено зміщеному переході для посилення фотоструму. На жаль, із зростанням коефіцієнта множення зростає не тільки посилення, але і рівень шумів та нестабільність фотоструму при зміні живлячої напруги. Лавинні фотодіоди мають найбільше співвідношення сигналу до часу наростання фотодіода, але критичні до напруги живлення. Для усунення даного недоліку застосовуються подвійні лавинні фотодіоди - другий діод використовується як компенсуючий в мостовій схемі. Найбільшим швидкодією відрізняється фотодіод з бар'єром Шотткі. Однак ці фотодіоди не мають механізму посилення струму, притаманного лавинним фотодіодами, тому їх чутливість невисока[17].

Рис. 2.6. Будова фотодіода на основі p-i-n структури [17]

Фототранзистор - транзистор (зазвичай біполярний), в якому інжекція нерівноважних носіїв здійснюється на основі фотоефекту внутрішнього; служить для перетворення світлових сигналів в електричних з одночасним посиленням останніх. Фототранзистор є монокристалічною напівпровідниковою пластиною з Ge або Si, в якій за допомогою особливих технологічних прийомів створено 3 області, званої, як і в звичайному транзисторі, емітером, колектором і базою, причому остання, на відміну від транзистора, як правило, виводу не має. Кристал вмонтовується в захисний корпус з прозорим вхідним вікном. Включення фототранзистор у зовнішній електричний ланцюг подібно до включення біполярного транзистора, виконаного за схемою із загальним емітером і нульовим струмом бази. При попаданні світла на базу (або колектор) у ній утворюються парні носії зарядів (електрони і дірки), які розділяються електричним полем колекторного переходу. В результаті в базової області накопичуються основні носії, що призводить до зниження потенційного бар'єру емітерного переходу і збільшення (посиленню) струму через фототранзистор в порівнянні із струмом, обумовленим перенесенням лише тих носіїв, які утворилися безпосередньо під дією світла.

Високі надійність, чутливість і часова стабільність параметрів фототранзистор, а також його малі габарити і відносна простота конструкції дозволяють широко використовувати фототранзистор у системах контролю і автоматики -- як датчики освітленості, елементи гальванічної розв'язки тощо [18].

2.3 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 зв'язано 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. Він складається з ряду послідовно розташованих динодів, кожний з яких має потенціал більш високий, ніж попередній. Напруга між будь-якими динодами повинне бути достатньою для того, щоб коефіцієнт вторинної емісії був більше одиниці. Вторинно-електронний помножувач можна використати в приладах з будь-яким джерелом первинних електронів, але найбільш широке поширення він одержав у ФЕП [7].

Найпростішим по будові є однокаскадний помножувач фотоелемент із вторинною емісією, схема якого показана на рис. 2.7. На фотокатод ФК падає світловий потік, що приводить до виникнення фотоелектронів. Фотоелектрони рухаються до сітчастого аноду А, і більша їх частина, пролітаючи крізь анод, бомбардує динод Д вибиваючи з нього вторинні електрони. Останні рухаються на анод і разом з первинними електронами, що потрапили на анод, утворюють у ланцюзі робочий струм, значно більший струму з фотокатода [19].

Рис. 2.7. Будова однокаскадного фотоелектронного помножувача [19]

Існують також багатокаскадні ФЕП (рис. 2.8.).

Рис. 2.8. Конструкція та схема включення багатокаскадного ФЕП [20]: 1 - фотокатод; 2 - кварцове вікно; 3 - диноди; 4 - анод; 5 - фокусуючий електрод

Основними елементами конструкції ФЕП є катодна камера, помножувальна система (вторинно-електронний помножувач), анод і балон. Катодна камера містить у собі фотокатод 1 та 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 або зовнішній, який входить у блок живлення ФЕП [4].

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 .

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 [7].

Перші конструкції помножувачі наскрізної дії були розроблені С.А. Векшинским. У цих приладах вторинні електрони виходять із емітера з боку, протилежного напрямку первинних електронів. У цьому випадку відсутня необхідність вживати спеціальних заходів для корегування напрямку вторинного електронного потоку від одного емітера до іншого. Емітери виконуються або у вигляді сіток, або у вигляді металевих нахилених пластин типу жалюзі. Вторинні електрони, що випускаються емітером-динодом, попадають на наступний щабель, під дією різниці потенціалів на цих щаблях. Однак деяка частина первинних електронів може пройти в жалюзі емітера, не потрапляючи на диноди і не створюють вторинні електрони, що приводить до зменшення посилення приладу.

Іноді між жалюзійними динодами розміщують сітку, яка екранує жалюзі від гальмівного поля попереднього динода, що збільшує кількість вторинних електронів які дійдуть до наступного диноду. В такій системі робоча поверхня є достатньою, а міждинодна відстань може бути малою. Поле між динодами можна вважати однорідним, тому відсутнє фокусування електронів при їх розштовхуванні, що збільшує робочу поверхню динодів та забезпечує стійкість сигналу при великих струмових навантаженнях. В той же час, напруженість електричного поля біля поверхні динодів є достатньою, що дозволяє отримати розкид часу прольоту між каскадами менше ніж 1 нс.

Мікрoканальні пластини (МКП) являють собою стільникові структури утворені великою кількістю скляних трубок (каналів) діаметром 5-15 мкм із внутрішньою напівпровідною поверхнею, що має опір від 20 до 1000 МОм. Тобто МКП являє собою збірну конструкцію великої кількості (декілька мільйонів) канальних електронних помножувачів, що відносяться до помножувачів з безперервним динодом наскрізної дії. Фотоелектрон (іноді іон, фотон) попадає в канал і з його стінки вибиває вторинні електрони, які прискорюються електричним полем, створеними напругою на кінцях каналу.

Розміри МКП варіюються від декількох міліметрів до 10 см і більше. Форма МКП може бути найрізноманітніша - округла, прямокутна, практично будь-яка, необхідна для конкретного випадку застосування. Крім того, поверхня їх може бути зроблена сферичною або циліндричною, для того, наприклад, щоб відповідати фокальній площині магнітного або електростатичного спектрометру. При множенні електронів у каналі утворюються іони, кількість яких залежить від залишкового газу. Інтенсивна іонізація газу спостерігається на останніх 30% шляху в каналі, де щільність електронів найбільша. Іони прискорюються до фотокатоду, бомбардують його, а це спотворює характеристики та руйнує катод. При цьому значно скорочується термін служби. Щоб уникнути цього, удосконалюють технологію відкачки, поліпшують знегажування електродів, застосовують МКП із криволінійними каналами, установлюють дві або три пластини із прямолінійними похилими каналами, щоб утруднити рух іонів до катода. У результаті коефіцієнт підсилення знижується до 106, а термін служби зростає в декілька разів [19].

Спектральні характеристики ФЕП, як і спектральні характеристики фотоелементів, визначаються типом застосовуваного фотокатодада. Тип спектральної характеристики і абсолютне значення спектральної чутливості фотокатода Sл 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 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 об'ємного 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 об'ємного заряду, необхідно підвищувати напруги на останніх каскадах множення.

На рис. 2.9. наведене сімейство статичних світлових характеристик ФЕП при різних напругах живлення [5].

Рис. 2.9. Сімейство статичних світлових характеристик [5]

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. 2.10. 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.

Рис. 2.10. Залежність анодної чутливості від напруги живлення ФЕП [8]

Анодна характеристика ФЕП показує залежність анодного струму (або анодної чутливості) від напруги між анодом та останнім динодом. Крутий ділянка характеристики відповідає режиму об'ємного заряду, що утвориться між анодом та останнім динодом.

Рис. 2.11. Анодні характеристик ФЕП при двох фіксованих значеннях потоку випромінювання [8]

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 [8].

Висновки

1. Під час виконання курсового проекту було вивчено будову, властивості та принцип дії фотоелектронних приладів. Фотоелектронні прилади - електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

2. Принцип роботи фотоелектронних приладів заснований на явищі внутрішнього і зовнішнього фотоефекту. Електровакууммні фотоелементи працюють завдяки зовнішньому фотоефекту, а напівпровідникові - завдяки внутрішньому. В свою чергу напівпровідникові прилади можуть працювати завдяки фоторезистивному (фоторезистори) та фотогальванічному ефектів (фотодіоди, фототранзистори).

3. Було встановлено, що основними параметрами фотоелектронного приладу є світлова і спектральна чутливість. Інтегральна чутливість - це чутливість фотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світловому потоку. Інтегральну чутливість можна визначити по світловій характеристиці. Спектральна чутливість - це чутливість фотокатода до монохроматичного світла.

4. З'ясовано, що фотоелектронні помножувачі (ФЕП) - це електровакуумні прилади, у яких струм фотоелектронної емісії підсилюється за допомогою вторинної електронної емісії. Вони використовуються як підсилювачі при вимірюванні слабких потоків випромінювання.

5. В результаті виконання курсового проекту було встановлено, що фотоелектронні прилади є незамінним та необхідним видом електроніки і альтернативи їм немає. В зв'язку з цим за відсутності можливості порівняння цілого виду неможливо виділити переваги та недоліки



Список використаних джерел

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

2. Лисенко О.В. Фізика: Конспект лекцій / Укладач О.В. Лисенко. - Суми: Вид-во СумДУ, 2010. - Ч.2. - 242 с.

3. Mйmoire sur les effets йlectriques produits sous l'influence des rayons solaires / А. E. Becquerel. - 1839. - 15 с.

4. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие / А.А.Щука. - Санкт-Петербург: БХВ - Петербург, 2005. - 800 с.

5. Федосеева Е.О. Основи электроники и мимикроэлектроники / Е.О.Федосеева, Г.П.Федосеева. - Москва: Искусство, 1990. - 240 с.

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

7. Соболева Н.А. Фотоэлеткронние прибори / Н.А.Соболєва, А.Г.Берковский, Н.О.Чечик, Р.Е.Елисеев. Москва: Наука, 1965. - 592 с.

8. Батушев В.А. Элетронние прибори / В.А.Батушев.- Москва: Висшая школа, 1980. - 382 с.

9. Жигарев А.А. Электронно-лучевые и фотоэлектронные прибори / А.А.Жигарев, Г.Г.Шамаев. Москва: Висшая школа, 1982. - 463 с.

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

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

12. http://tubeamplifier.narod.ru/mess051.htm - Електронна емісія, дата доступу: 1.04.2014 р.

13. Шехмейстер Е.И. Технология производства електровакуумных приборов / Е.И.Шехмейстер. Москва: Высшая школа, 1992. - 542 с.

14. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К.Чиркин. Москва: Высшая школа, 1987. - 497 с.

15. http://www.ckofr.com/fizika/154-fotorezistory - Фоторезистори, дата доступу: 1.04.2014 р.

16. Розробка високоефективних мікро-, нанотехнологій оптоелектроніки і комунікаційних систем на їх основі / В.Г.Вербицький, І.М.Вікулін, П.П.Воробієнко та ін.. Київ: Логос, 2009. - 302 с.

17. http://www.led-e.ru/articles/measuring/2010_4_42.php - Фотоелементи, дата доступу: 1.04.2014 р.

18. http://www.wikipedia.org/wiki/phototransistor - Фототранзистор, дата доступу: 1.04.2014 р.

19. Кривець О.С. Електронні й іонні фотоелектронні прилади / О.С.Кривець. Суми: Вид-во СумДУ, 2012. - 15 с.

20. http://shpat.com/news/2009-07-13/6.html - Фотоелектронні помножувачі, дата доступу: 1.04.2014 р.

Размещено на Allbest.ru

...