Материал: 2072

токатодом. На внешнем фотоэффекте основано действие электровакуумных фотоэлектронных приборов – фотоэлементов и фотоумножителей.

Внутренний фотоэффект может быть двух видов. Фоторезистивный эффект – это уменьшение электрического сопротивления полупроводника под действием падающего на него света. Фотогальванический эффект

– это возникновение на р–n-переходе под действием падающего света электродвижущей силы – фотоЭДС. Внутренний фотоэффект используют в полупроводниковых фотоэлектронных приборах.

Фотоэффект обусловлен изменением энергетического состояния свободных электронов в металле или атомов в кристалле полупроводника при поглощении световой энергии.

Энергия светового излучения выделяется и поглощается квантами (фотонами), а распространяется волнами, как электромагнитные колебания. Валентный электрон может поглощать только один фотон, при этом энергия его увеличивается скачком.

Для выхода с поверхности фотокатода электрон должен получить энергию, не меньшую чем работа выхода для данного вещества W0 e 0 (см.

п. 10.2).

Согласно квантовой теории, энергия фотона

Wкв h hc,

где h 6,62 10 34 Дж·с – постоянная Планка; c – частота светового

излучения, λ – длина волны; c 3 108 м/с – скорость света.

Чем больше частота или меньше длина световой волны λ, тем больше энергия фотона. Например, видимый глазом свет (от фиолетового до красного) имеет длину волны в диапазоне 0,38 – 0,76 мкм. Тогда энергия фотонов фиолетового и красного света будет соответственно равна 3,25 и 1,62 эВ.

Таким образом, фотоэлектронная эмиссия возникает при Wкв Wc . Максимальную длину световой волны max hc e 0 , при которой наступает фотоэмиссия, называют порогом фотоэлектронной эмиссии. Видимая глазом часть спектра световых волн обладает достаточной энергией фотонов, чтобы вызвать фотоэмиссию из таких веществ, как, например, цезий или его соединения.

Законы фотоэлектронной эмиссии и характеристики фотокатода

Простейшим электровакуумным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент, содержащий два электрода: катод и анод, размещенные в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух. Катод имеет вид вогнутого

141

длине волны, большей порога фотоэмиссии max, энергии фотонов недостаточно для выбивания электронов с фотокатода. Поэтому фототок и спектральная чувствительность фотокатода равны нулю.

11.6. Фотоумножитель: устройство, принцип действия

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), или просто фотоумножитель, имеет более высокую световую чувствительность за счет усложнения конструкции. ФЭУ содержит анод, фотокатод и электроды вторичной эмиссии, называемые динодами. Количество динодов может быть от одного до двадцати. ФЭУ с одним динодом называют однокаскадным, а с несколькими – многокаскадным. Устройство многокаскадного ФЭУ показано на рис. 11.12.

Ф

Диноды

Рис. 11.12. Устройство четырехкаскадного фотоумножителя

143

Между катодом и первым динодом подают напряжение 110–150 В. Каждый последующий динод имеет потенциал, на 100–150 В больший, чем предыдущий. Под действием света фотокатод испускает электроны, которые ускоряются полем динода Д1 и выбивают вторичные электроны с его поверхности. Эти электроны снова ускоряются полем динода Д2 и вновь выбивают вторичные электроны, поток которых движется к диноду Д3, и т.д. Число вторичных электронов превышает число первичных. Поэтому ток анода Ia значительно больше тока фотокатода Iф.

Коэффициент усиления тока фотокатода K Gn , где G – коэффициент вторичной эмиссии, n – количество динодов (G >1). Поэтому ФЭУ имеют более высокую чувствительность, чем фотоэлементы.

Недостатком ФЭУ являются высокое напряжение питания и большой собственный шум. Даже при отсутствии светового потока на выходе ФЭУ появляется так называемый темновой ток. Он вызван тем, что отдельные электроны, при комнатной температуре покидающие фотокатод, выбивают из динодов вторичные электроны и в результате создается довольно большой анодный ток, зависящий от температуры.

На практике широкое распространение получили однокаскадные фотоумножители (ФЭУ1). Их применяют в автоматике и для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинолент.

Устройство, условное графическое и позиционное обозначение, схема включения ФЭУ1 показаны на рис. 11.13.

Рис. 11.13. Однокаскадный фотоумножитель ФЭУ1: а – устройство; б – условное графическое и позиционное обозначения; в – схема включения

Фотокатод выполнен в виде тонкого светочувствительного слоя, нанесенного на половину внутренней поверхности стеклянного баллона. На противоположной стороне баллона нанесен такой же по материалу, но не-

144

большой по площади слой, являющийся динодом. Катод и динод – сурьмя- но-цезиевые. Внутри баллона ближе к диноду расположен анод, выполненный в виде редкой металлической сетки.

Принцип действия ФЭУ1 состоит в следующем. Световой поток падает на катод и вызывает фотоэмиссию. Под действием ускоряющего поля анода и динода (Uд <Ua) первичные электроны ускоренно движутся к аноду. Незначительная часть их попадает на анод, а основной поток проходит через сетку анода на динод, вызывая вторичную эмиссию с его поверхности. Эти вторичные электроны под действием ускоряющего поля анода движутся к аноду, так как напряжение на диноде Uд меньше, чем на аноде Ua. Вторичных электронов больше, чем первичных, в 4 – 6 раз, т.е. коэффициент вторичной эмиссии ФЭУ1 G Ia Iф (4 – 6).

Характеристики ФЭУ1

1. Вольт-амперная характеристика (рис. 11.14):

Ia f Uад при Uд =const, Ф =const.

При Uад 0 ток анода практически равен нулю из-за действия тормо-

зящего электрического между анодом и динодом. При Uад 0 это поле становится ускоряющим для вторичных электронов. Когда Uад>(35 – 40 В), рост анодного тока с ростом Uад практически прекращается из-за насыщения, так как практически все вторичные электроны попадают на анод. В режиме насыщения ток Ia возрастает с увеличением светового потока Ф.

лабления ускоряющего поля, действующего на вторичные электроны. Практически чувствительность ФЭУ1 к световому потоку S Ia Ф максимальна при Uд ≈160 В. Световая чувствительность фотокатода Sф Iф Ф, тогда коэффициент усиления ФЭУ K SmaxSф Iamax Iф определяется коэффициентом вторичной эмиссии G 4 6.

145