151086 (Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційної техніки

Кафедра прикладної фізики

Комплексна курсова робота

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Суми 2009

Зміст

Вступ

1. Фізичні основи фотоефекту

1.1 Види фотоефекту. Фотоелектронна емісія

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

2. Основні типи фотоелектронних приладів

2.1 Фотоелементи

2.2 Фотоелектронні помножувачі

Висновки

Література

Вступ

Досить важлива роль, яку фотоелектронні прилади відіграють у сучасній техніці і в наукових дослідженнях, визначила їхній інтенсивний розвиток, що почався в тридцятих роках двадцятого сторіччя і безупинно триває в зростаючому темпі аж до теперішнього часу. В останні роки в цій області досягнуть ряд істотних успіхів. Створено нові фотокатоди як для видимої області спектра, так і для ультрафіолетової. З'явилися нові види фотоелектронних помножувачів, що відрізняються високими значеннями експлуатаційних параметрів.

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

По виду робочого середовища фотоелектричні прилади можна поділити на електровакуумні (електронні та іонні) і напівпровідникові. По типу фотоелектричного ефекту, що лежить в основі дії приладу, розрізняють:

– фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п-структурах (напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори).

1. Фізичні основи фотоефекту

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 речовин під дією падаючих 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 фотопомноживачів.

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

Принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів заснований, як було сказано, на фотоелектронній емісії.

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:

Wкв = h, (1.1)

де h – постійна Планка;

– частота випромінювання.

Частота обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:

= с\λ (1.2)

Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилі випромінювання:

Wкв = hc\λ, (1.3)

де с – швидкість світла.

Наприклад, короткохвильове випромінювання, що відповідає фіолетовим променям видимого спектра 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.

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

Wкв = Wo (1.4)

Підставивши сюди значення Wo = eo; Wкв = ho та λо = с\o отримаємо

ho = eo, (1.5)

звідси

o = eo\h та λо = hc\ eo, (1.6)

де h, c та е (заряд електронна) – постійні;

o – робота виходу в електрон – вольтах, яка залежить від матеріалу фотокатода.

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

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

Найпростішим електровакуумним приладом, що перетворить оптичний сигнал в електричний, є фотоелемент. Він має два електроди: фотокатод та анод. На анод подається постійна позитивна напруга щодо катода. Емітовані з фотокатода електрони рухаються до анода, створюючи в ланцюзі фотострум Iф.

Закони Столетова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії.

Закон Столетова: величина фотоструму прямо пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінній спектральній составі світла:

Iф = SФ, (1.7)

де Ф – світловий потік у люменах;

S – коефіцієнт пропорційності, називаємий чутливістю фотокатода та вимірюваний в мікроамперах на люмен.

Закон Столетова 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 (рис. 1.1, а):

Рис. 1.1 – Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в)

Світлова характеристика – це залежність фотоструму від світлового потоку при постійній 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; її нахил залежить від чутливості фотокатода.

Закон Ейнштейна: максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів з фотокатода, лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого світла та не залежить від його інтенсивності.

Оскільки різниця енергії фотона та роботи виходу перетворюється в кінетичну енергію електрона, то закон Ейнштейна виражається рівнянням:

mv \2 = Wкв – Wo, (1.9)

де mv \2 – кінетична енергія електрона.

Підставивши в рівняння Wкв та Wo, отримаємо:

mv \2= h – eo (1.10)

Це рівняння визначає лінійну залежність кінетичної енергії електрона від частоти випромінювання ; інші його елементи – постійні для даної речовини.

Максимальною кінетичною енергією будуть володіти ті електрони, які всередині фотокатода мали максимальну внутрішню енергію Wi. При W_KB = Wo кінетична енергія електрона, що вилетів, дорівнює нулю, а при Wкв < Wo фотоелектронна емісія неможлива.

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

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

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

S = Iф\ Ф (1.11)

Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світла обраний стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання 100 Вт при температурі нитки 2850 К.

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:

S = Iф\Ф (1.12)

Спектральні властивості фотокатода визначають по спектральній характеристиці, що являє собою залежність спектральної чутливості від довжини хвилі випромінювання.

S = f (λ) при Ф = const (1.13)

При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна (рис 1.1, б): зі збільшенням λ, тобто зменшенням , кінетична енергія та швидкість емітованних електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф=const. Фотоелектронна емісія припиняється при λо відповідно порогу o.

При виборчий фотоелектронной емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.1, 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 λо = 0,7 мкм.

2. Основні типи фотоелектронних приладів

2.1 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 УФ-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.

Рис. 2.1 – Зовнішній вигляд першого типу фотоелементів [6]: анод; 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. Деякі конструкції фотоелементів другої групи представлені на рис. 2.2.

До характеристик і параметрів розглянутих фотоелементів пред'являються більше суворі вимоги, обумовлені їхнім призначенням. Фотоелементи повинні мати високу стабільність спектральних характеристик, лінійністю світлової характеристики, достатньо велике значеннями спектральної та 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, тривалість яких може становити десяті частки наносекунди. 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.

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, погодженого з низькомним навантаженням. Конструкція деяких типів імпульсних потужнострумових фотоелементів приведена на рис. 2.3.