3. 3. 2. Внешний фотоэффект. Фотоэлементы. Фотоэлектронные умножители (фэу).
Внешний фотоэффект – эмиссия электронов из твердого тела под действием поглощенных фотонов, иначе - фотоэлектронная эмиссия. (Эмиссия – выход электрона). Это квантовое явление, наблюдается у металлов, полупроводников, а иногда и у диэлектриков. Если частота излучения n>n0, электрон может выйти из твердого тела с кинетической энергией, определяемой формулой Эйнштейна:
1/2mv2 = hn - hn0, m – масса покоя электрона,
nо – начальная частота излучения.
Схему внешнего фотоэффекта можно представить так: на твердое тело падает поток фотонов и вырывает с его поверхности электрон (эмиссия), фотоэлектрон с отрицательным зарядом стремится к аноду, в цепи возникает электрический ток, который через нагрузку усиливается и регистрируется измерительным прибором. Понятно, чем больше выйдет фотоэлектронов, тем больше будет ток или разность потенциалов.
Законы внешнего фотоэффекта:
Максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности и определяется формулой Эйнштейна.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (порог фотоэффекта), минимальная частота. Она зависит от химической природы материала и состояния его поверхности.
Число фотоэлектронов, вырываемое из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.
Фотоэффект практически безинерционен, время между поглощением фотона с появлением фотоэлектрона < 10-12с.
В полупроводниках фотон поглощается (возбуждается) из связанных состояний (валентная зона, примесная зона).
Важной характеристикой приёмников излучения является квантовый выход h, равный отношению числа фотоэлектронов к числу падающих квантов света. Если энергетический поток, падающий на твердое тело W, то число падающих квантов равно W/hn. Пусть число фотоэлектронов равно nф, тогда квантовый выход h = (nф×hn)/W или nф = h×(W/hn). Если все фотоэлектроны попадут на анод, то фототок Iф = е×nф = h×(еW/hn), т.е. фототок тем больше, чем больше величина квантового выхода. Квантовый выход у металлов имеет небольшую величину, h = 0.1 – 0.2. Наибольшим квантовым выходом обладают катоды из полупроводников, h = 0.3 – 0.4 (рис. 16). Это связано, в первую очередь, с тем, что работа выхода у металлов раза в два больше, чем у полупроводников, у которых внешний фотоэффект – объемный процесс. У металлов же работает поверхность, состояние которой должно быть идеальной. Снизить работу выхода и повысить квантовый выход можно нанесением на поверхность металла или полупроводника моноатомного слоя вещества с малой работой выхода, например, цезия.
Рис. 16. Спектральная зависимость квантового выхода фотоэлектронов в системе GaAs + Cs: сплошной кривой показан выход в расчёте на один падающий фотон, пунктирной – в расчёте на один поглощённый фотон.
Фотоприемники излучения, работающие на внешнем фотоэффекте:
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом,
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянную колбу с впаянными в нее катодом и анодом. Лучистый поток, попадая на катод, выбивает из него электроны, которые устремляются к аноду. На нагрузке выделяется электрический сигнал. Фотоэлемент заполняется инертным газом, фототок увеличивается еще из-за ионизации газа. Обычно фотоэлемент имеет некоторое темновое напряжение.
Параметры фотоэлемента с внешним фотоэффектом:
Интегральная чувствительность: (100 – 200) мкА/лм.
Рабочее напряжение: (100 – 300) В.
l = (0.3 – 1.2) мкм.
Шумы: дробовой (из-за термоэлектронной эмиссии), шум 1/f, а также радиационный и температурный шумы.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Фотоприемниками для УФ, видимой и ближней ИК областей спектра являются фотоэлектронные умножители. Они отличаются от фотоэлементов тем, что, кроме фотокатода и анода, имеют дополнительные электроды – диноды, которые являются эмиттерами вторичных электронов. Схема ФЭУ представлена на рис. 17. Диноды ускоряют фотоэлектроны и увеличивают их число.
Рис. 17. Принципиальная схема ФЭУ с делителем напряжения.
ФК -фотокатод, Э -фокусирующий электрод, Д -диафрагма,
Э1…Э5 - диноды, А -анод, RД -сопротивление делителя напряжения,
RН- сопротивление нагрузки в цепи анода, Са -ёмкость анода.
В отдельных ФЭУ насчитывается 12 – 14 динодов, и они имеют разную форму. В современных ФЭУ с 12–ю каскадами умножения коэффициент усиления равен 107, что достаточно для измерения тока в анодной цепи, вызванного единичным электроном, эммитированным фотокатодом.
Параметры фотоэлектронного усилителя (ФЭУ):
S ~ 2×10-2А/Вт,
Р = (5×10-10-2×10-13) лм/Гц1/2,
R = 1 МОм,
l = (0.3 – 1.2) мкм,
рабочее напряжение – (100 – 1500) В,
темновой ток (10-11 - 10-13) А/см2,
t = (10-11 – 10-13) с.
Шумы: радиационный, температурный, дробовой, 1/f.
ФЭУ является приемником излучения, обладающим хорошей фоточувствительностью и очень малой инерционностью. С целью увеличения чувствительности применяют охлаждение фотокатода.