Фотоелектронні прилади

    Розглянуте  явище фотоефекту відбувається при  відносно слабких світлових полях і його називають одно фотонним. У випадку користування випромінюванням потужного лазера виникає багато фотонне поглинання, тобто багато фотонний фотоефект, при якому в співударянні з електроном одночасно бере участь декілька фотонів. Рівняння Ейнштейна для багато фотонного фотоефекту має вигляд: 

    тv²_тax/2 = Nhv-А,     (1.3) 

де N- число фотонів, які співударяються з електроном.

    Багатофотонний  фотоефект зумовлює зміщення червоної межі в довгохвильову ділянку спектра. 

2. Закони  фотоелектронної  емісії та характеристики фотокатода

 

    Принцип дії електровакуумних фотоелектронних  приладів заснований, на фотоелектронній емісії. Фотоелектронна емісія - це випускання електронів твердими тілами і рідинами під дією електромагнітного випромінювання (фотонів) у вакуум або ін. середовища. Практичне значення в більшості випадків має фотоелектронна емісія з твердих тіл (металів, напівпровідників, діелектриків) у вакуум [3].

    Для виходу електрона з твердого тіла (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 = hn,      (1.4) 

де  h – постійна Планка; n – частота випромінювання.

    Частота n обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:

    n = с/λ.                  (1.5)

    Енергія фотона може бути виражена через довжину  хвилі випромінювання: 

    Wкв = hc/λ,       (1.6)

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 [2].

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

     Wкв = Wo.       (1.7) 

    Підставивши сюди значення Wo = ej_o; Wкв = hn₀ =hc/λ₀ отримаємо: 

     n₀ = ej_o / h та λ₀ = hc/ ej_o,     (1.8) 

де j_o – робота виходу, яка залежить від матеріалу фотокатода, еВ.

    Для одержання фотоелектронної емісії в більш широкій області видимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу [10].

    Найпростішим  електровакуумним приладом, що перетворює 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 I_ф.

    Закони  Столєтова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії [7].

    Ι закон Столєтова: величина фотоструму прямо пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінному спектральному складі світла: 

     Iф = SФ,       (1.9) 

де Ф  – світловий потік, лм; S – коефіцієнт пропорційності, який називається

 чутливістю фотокатода, мкА/лм.

    ІІ  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 (рисунок 1.2, а) [14].

     

    Рисунок 1.2 – Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в) 

    Світлова  характеристика – це залежність фотоструму від світлового потоку при постійному спектральному складі світла та незміній анодній напрузі: 

     Iф = f(Ф) при Ua = const.     (1.10) 

    Залежність  має лінійний характер, 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: 

     тv²/2= Wкв – Wo.      (1.11) 

    Підставивши в рівняння Wкв та Wo, отримаємо: 

     mv /2= hn – ej_o.      (1.12)

    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 [15].

    Закону  Ейнштейна підкоряється фотоелектронна емісія із чистих масивних металів. 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, світлового потоку. Вона визначається як фотострум, викликаний загальним світловим потоком в 1 люмен: 

     S = Iф/ Ф.      (1.13) 

    Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світла вибирають стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання потужністю 100 Вт при температурі нитки 2850 К. Інтегральну чутливість можна визначити також по світловій характеристиці [16].

     Спектральна чутливість – це чутливість фотокатода до монохроматичного світла. Вона визначається як фотострум, що викликаний світловим потоком в 1 люмен даної довжини хвилі: 

     S_λ = Iф/Ф_λ       (1.14) 

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

     S_λ = f (λ) при Ф = const      (1.15) 

     При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна (рис 1.2, б): зі збільшенням λ, тобто зменшенням n, кінетична енергія та швидкість емітованих електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф=const.

     При виборчій фотоелектронній емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.2,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 λ_о = 0,7 мкм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Розділ 2 ОСНОВНІ ТИПИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ  ПРИЛАДІВ 

    2.1 Конструкція і принцип дії фотоелементів 

    Фотоелемент – це електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столєтов в кінці XIX століття. Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. ККД вироблених у промислових масштабах фотоелементів в середньому становить 16%, у кращих зразках до 25% [17]. У лабораторних умовах вже досягнуто коефіцієнт корисної дії 40,7% [18].

    Перетворення  енергії в ФЕП засноване на фотоелектричному ефекті, який виникає  в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного  випромінювання. Неоднорідність структури  ФЕП може бути отримана легуванням одного і того ж напівпровідника  різними домішками (створення p-n переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони, або ж за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що приводить до появи градієнта ширини забороненої зони. Можливі також різні комбінації перерахованих способів.

    Ефективність  перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідної напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЕП, серед яких найбільш важливу роль грає фотопровідність. Вона зумовлена явищами внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках при опроміненні їх сонячним світлом.

    Конструктивно фотоелемент складається з фотокатода та анода, поміщених в балон, який виконаний 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 різноманітні 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 [13].

    До  першої групи можна віднести фотоелементи, призначені для реєстрації порівняно слабо змінних у часі потоків випромінювання, інтенсивність яких набагато більша граничної. Ці фотоелементи застосовуються у звуковідтворюючій кіноапаратурі, у фототелеграфії, у схемах автоматики та контрольно-вимірювальних пристроях. 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 розміщують 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 рисунку 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 цих фотоелементах можуть застосовуватися як напівпрозорі так і масивні фотокатоди.