Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Оно заключается в том, что бомбардировка пучком электронов поверхности металла, полупроводника или диэлектрика при некоторых условиях вызывает эмиссию вторичных электронов, которую обычно характеризуют коэффициентом вторичной эмиссии о — отношением числа выбитых электронов к числу падающих. Этот коэффициент зависит от многих параметров (вида и состояния поверхности, скорости и угла падения пучка электроронов и т. д.) и для некоторых веществ может достигать больших значений (10 и выше). В частности, легко получается значительное усиление сигнала при использовании в качестве материала эмиттеров сплава сурьмы и цезия.
Приводимая на рис. 8.18 схема иллюстрирует возможность создания фотоэлектронного приемника света с использованием усиления электронных токов за счет вторичной эмиссии. Совершенно ясно, что важно не только создать большее число вторичных электронов, но и сфокусировать электронные потокитак, чтобы подавляющее число выбитых электронов достигло следующего эмиттера.
Фокусировка вторичных электронов осуществляется различными способами. Наибольшее распространение получили умножители, в которых конфигурация и расположение фотокатода и змиттеров подобра- Рис. 8.19. Форма и расположение электродов в фотоумножи- теле ФЭУ-38: т — Эотокетод; т — дкяоды; а - лкод (коллектор) ными раднотехя тем или иным Рис. 8.20. Внешний вид фотоумножи тела ФЭУ-38, смонтированного в ко жухе ны так, что создаваемые ими электрические поля обеспечивают оптимальные условия прохождения электронного пучка (рис. 8.19).
Конечно, для этого нужно, чтобы между эмиттерами прикладывалась вполне определенная разность потенциалов, что осуществляется с помощью так называемых делителей напряжения. Коэффициент усиления фотоумножителя при использовании нескольких каскадов достигает значений 10а — 1Оа. Для того чтобы предохранить 'фотоумножитель от посторонней засветки и экранировать электрон- ную схему от внешних электростатических полей, его обычно помещают в специально изготовленный металлический кожух. На рис.
8.20 представлен внешний вид распространенного фотоумножителя ФЭУ-38 с кожухом. В нижней части кожуха имеется панель, на которой смонтирован делитель напряжения. На рис. 8.21 приведена фотография фотоумножителя, подготовленного к измерениям. Сила тока на выходе ФЭУ может быть усилена обыч ническими методами.
После этого фототок фиксируетс способом. Часто используют электронные потенциометры, проводящие непрерывную запись сигнала. В последние годы для этих целей широко применяют цифровые вольтметры и другие более сложные устройства, позволяющие так регистрировать сигнал, чтобы результаты измерений сразу могли быть обработаны электронно-вычислительной машиной. Существуют методы, позволяющие измерять с помощью ФЭУ очень малые световые потоки (метод счета фотонов и др.).
За последние годы техника подобных экспериментов получила за. метное развитие и открылись возможности решения новых задач. Но было бы серьезным заблуждением утверждение, что любой сколь угодно малый световой сигнал может быть фотоэлектрически измерен и зарегистрирован. В фото- электрическом методе, как и во всех физических измерениях, решающую роль играет не сигнал, а отношение сигнал/шум, которое часто называют полезным сигналом. Наличие шума, природа которого весьма разнообразна, лимитирует возможность измерения малых сигналов, и, как правило, задачей экспериментатора является создание такой схемы опыта, которая позволяет выделить тем или иным способом сигнал из шума или подавить последний. Для того чтобы были ясны физические идеи, лежащие в основе стандартных рекомендаций по повышению чувствительности фотоэлектрических измерений, нужно прежде всего разобраться в природе шума.
При этом будем игнорировать некоторые достаточно часто встречающиеся погрешности в технике эксперимента и выделим основные физические явления, приводящие к флуктуациям измеряемого фототока, которые и проявляются в виде шума при фотоэлектрических измерениях. Одна из наиболее очевид- ных причин возникновения Рис. 8.2!. Фотоумнонгнтель подготоилеи шума, ограничивающего прек эксперименту дел чувствительности фото- электрических измерений, связана с конечностью заряда электронами = 4,8 ° 10 те СОЗЕ и имеет образное название дробовой эффект.
Суть этого явления следующая: пусть сила измеряемого фототока !. Значит, каждую секунду Уд электронов вылетают из фотокатода и это число подвержено флуктуациям, так как сила тока лишь в среднем остается постоянной. Если бы заряд электрона был исчезающе малым, то число вылетевших из катода электронов было бы велико и относительная величина флуктуаций мала. Если !в другом крайнем случае) измеряемый ток переносился бы малым числом частиц с очень большим зарядом, то роль флуктуаций была бы велика.
Простой подсчет иллюстрирует эти рассуждения. Хорошо известно, что средняя относительная ошибка измерения (е) обратно пропорциональна корню из числа флуктуирующих частиц: (е) ~/и 1 Пусть, например, измеряемый ток переносится 100 частицами. В результате флуктуаций погрешность измерения 10%. Если этот же ток переносят 10" частиц, то погрешность будет всего 10 ' %. Таким образом, при фотоэффекте анод как бы бомбардируется потоком отдельных дробинок, число которых вследствие статистического характера рассматриваемых явлений будет флуктуировать. Теория этого явления нрп ряде упрошающих предположений приводит к следующей зависимости среднего флуктуационного напряжения дробового эффекта (и,',г ) в анодной цепи фотоэлемента: 2, ()~гд~ (8.54) где Я вЂ” омическое нагрузочное сопротивление анодной цепи; Л)— интервал частот, в пределах кототорого регистрируется выбранным измерительным устройством сила фототока (полоса пропускания).
,Другой не менее очевидной причиной флуктуаций измеряемого тока является тепловое движение электронов в проводниках, замыкающих анодную цепь. Средний квадрат этого флуктуационного напряжения <й„,) связан с энергией теплового движения йТ и определится выражением <4 ) =4йТРЦ. (8.55) Можно показать, что эти две причины флуктуаций фототока (дробовой эффект и тепловое движение электронов) являются основными. Тогда дляотношениясреднего квадрата напряжения сигнала (и,'„„„) к среднему квадрату напряжения шумов получается простое выражение, определяющее чувствительность измерений: ( оигн) (8.56) (здр)+(зьфдх) Используя формулы (8.54) и (8.55), можно оценить относительное влияние тех или иных параметров измерительной установки иа величину полезного сигнала.
Так, например, для повышения чувствительности фотоэлектрических измерений часто используется уменьшение Л( (частотная полоса пропускания), приводящее к уменьшению флуктуаций, возникающих как из-за дробового эффекта, так и теплового движения электронов. В усилителях постоянного тока это достигается увеличением произведения )гС (С вЂ” емкость конденсатора) и неизбежно приводит к увеличению времени регистрации (записи) сигнала, что не всегда желательно. В проведенном анализе природы флуктуационных шумов не была отмечена еще одна сторона флуктуаций, связанных с тепловым движением электронов, играющая существенную роль в ограничении чувствительности измерений.
Дело в том, что существует не только тепловое движение электронов в проводниках, замыкающих цепь, но и в теле фотокатода. В результате такого движения электроны будут спонтанно вырываться из катода, создавая дополнительный шум. Другими словами, кроме фототока в анодной цепи будет циркулировать ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией. Этот ток обычно называют темновым, подчеркивая тем самым, что его возникновение не связано с освещением катода. Темновой ток можно замерить при отсутствии сигнала и скомпенсировать обычным методом.
Но флуктуации темпового тока создают дополнительные шумы и этим тоже ограничивается чувствительность измерения фототока. Для некоторых фотоумножителей уменьшение- флуктуаций темпового тока играет основную роль в обеспечении высо кой чувствительности фотоэлектрических измерений, что достигается ограничением размеров фотокатода и его охлаждением. Проведенное рассмотрение природы шумов может быть отнесено как к фотоэлементам, так и к фотоумножителям.
Но ряд дополнительных характеристик (в частности, стабильность усиления и возможность исключить влияние внешних полей) определяют преимущества использования фотоумножителей, обусловившие их широкое распространение при решении различных научных и технических задач. Цв 446 04 рд г а) Р4 Да 4г 4а Д,иаи Рис. 8.22. Две прииципиальиые схемы фотодиодов (а и б): 1 — р-и-перевод; р коитакты р- и л-оала- стеа; а выводы: а — световоа пучок Рис. 8.23. Спектральиые характеристики фотодиодов: l — кремииевого; у — герма- ииевого Существенные трудности возникают при использовании фотоумножителей в инфракрасной области спектра. Как уже указывалось, наличие красной границы фотоэффекта делает в этом случае невозмогкным применение фотокатодов, прекрасно работающих в видимой и ультрафиолетовой областях.
Для измерений в инфракрасной области используют фоуподиоды, механизм действия которых основан на внутреннем фотоэффекте. Фотодиод представляет собой полупроводниковую пластинку, внутри которой имеются области электронной (и-область) и дырочной (р-область) проводимости, разделенные электроино-дырочным переходом. На рис. 8.22 изображены две возможные принципиальные схемы фотоди ода. Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в нем образуются пары и-р-носителей (электрон — дырка). Неосновные носители (дырки в полупроводнике л-типа и электроны в р-полупроводнике) диффундируют в область п-р-перехода, втягиваются в него и образуют пространственный заряд по другую сторону перехода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
