книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Эти приемники представляют собой вакуумные приборы, имеющие чувст­ вительный фотокатод, наносимый на внутреннюю поверх­ ность стеклянной колбы, п анод в виде кольца, пластинки

ит. п. Между анодом и катодом прикладывается постоян­ ная разность потенциалов порядка 230—240 В. При облу­ чении фотокатода возникает явление внешнего фотоэффекта

ив цепи, последовательной с источником тока, появляется ток, направленный от фотокатода к аноду.

Вкачестве приемников коротковолнового инфракрас­ ного излучения применяются фотоэлементы со сложным

серебряно-кислородно-цезиевым фотокатодом, состоящим из нанесенного на стекло колбы слоя серебра, поверх ко­ торого имеется слой из окиси серебра и окиси цезия, на котором адсорбированы атомы металлического цезия. Спе­ ктральная характеристика этого фотокатода показана на рис. 27: его максимальная чувствительность соответствует

свойственно не только серебряно-кислородно-цезиевым фо­ тоэлементам, но и другим приемникам с внешним фотоэф­ фектом, чувствительным слоем которых является сере- бряно-кислородно-цезиевый фотокатод (ФЭУ, ЭОП, пере­ дающим телевизионным трубкам).

Фотоэлементы такого рода делятся на два вида с резко различными характеристиками: 1) фотоэлементы вакуум­ ные и 2) фотоэлементы газополные.

Наполнение фотоэлемента инертным газом (не вступаю­ щим в реакцию с фотокатодом) при низком давлении при­ водит к значительному (в 5 — 7 раз) повышению его интег­ ральной чувствительности благодаря ионизации газа элек­ тронами, эмиттированными из фотокатода и ускоренными электрическим полем. Однако наполнение фотоэлемента газом вызывает и появление значительной инерционности, так как ток в них обусловлен, главным образом, положи­ тельными ионами, имеющими большую массу и меньшую скорость, чем у электронов; инерционность газополных фотоэлементов заставляет при выборе частоты модуляции обязательно считаться с их частотной характеристикой. Постоянная времени этих фотоэлементов зависит от рода газа, использованного при наполнении, от его давления и от рабочего напряжения на фотоэлементе. При снижении

70

t/pag до, 50—60 В кинетическая энергия фотоэлектронов становится малой и количество ионов, образующихся в ре­ зультате ударной ионизации, невелико, поэтому постоян­ ная времени снижается до г ^ Ю - 4 с.

В противоположность газополным вакуумные фото­ элементы фактически безынерционны и допускают исполь­ зование при любой частоте модуляции до 2-Ю8 Гц.

На рис. 28 показаны вольт-амперные характеристики вакуумного (2) и газополного (Л фотоэлементов. Очевидно, что нарастание тока в вакуумных фотоэлементах происхо-

OjH.ed.

к if

нарастает, что может привести к появлению дуги и к не­

дует остерегаться повышения напряжения на фотоэлементе свыше 240—250 В.

71

тронной эмиссии, суть которой состоит в вырывании вто­ ричных электронов из вещества при бомбардировке его быстролетящими первичными электронами, которые пере­ дают свою энергию вторичным. Отношение числа вырван­ ных электронов к числу падающих называется коэффици­ ентом вторичной эмиссии а. Этот коэффициент имеет небольшое значение, но для сложных слоев, подобных се- ребряно-кислородно-цезиевому фотокатоду, величина а мо­ жет достигать значения 10 и более. Каждому веществу, используемому для создания вторичной эмиссии, соот­ ветствует оптимальное значение энергии первичных элек­ тронов.

Приборы, основанные на вторичной электронной эмис­ сии, имеют три основных элемента: 1) источник первичных электронов (первичный фотокатод); 2) эмиттирующую по­ верхность (эмиттер, их может быть несколько); 3) электрод, собирающий вторичные электроны (коллектор). На рис. 29 показана схема устройства ФЭУ с несколькими эмиттерами. В баллоне, в котором создан высокий вакуум, помещены фотокатод 1, эмиттеры 2—5 и коллектор (анод) 9. Между фотокатодом и первым эмиттером создается электрическое поле, причем эмиттер имеет относительно фотокатода по­ ложительный потенциал. Первичные электроны, вылетев­ шие из фотокатода, ускоряются электрическим полем на­ столько, что вырывают, прилетев к эмиттеру, из него вто­ ричные электроны. Эмиттер 3 и все последующие эмиттеры имеют возрастающие положительные потенциалы, вследст-

72

вие чего вторичные электроны, вырванные из эмиттера 2, выбивают электроны из эмиттера 3 и т. д. В результате все увеличивающееся вследствие вторичной эмиссии число электронов собирается анодом — коллектором 9.

В настоящее время чаще всего применяются многокас­ кадные умножители, в которых используется последова­ тельное многократное умножение электронного тока с по­ мощью ряда эмиттеров так, что после двух каскадов усиле­ ние составляет а2 , после трех каскадов — а 3 и т. д. Полный коэффициент усиления M при п каскадах (если значение а одинаково для каждого из них) выразится M = о".

Таким образом, если первичный ток катода і0, а полный коэффициент усиления есть М, то ток в цепи коллектора ік выразится:

Схема питания ФЭУ сложнее, чем схема питания фото­ элемента, однако значительное усиление, создаваемое этим

73

цезиевым фотокатодом, спектральная характеристика ко­ торого была приведена на рис. 27. «Световая» характери­ стика ФЭУ является прямолинейной только до определен­ ной энергетической освещенности, зависящей от типа при­ бора.

Примером умножителя такого рода является выпускае­ мый нашей промышленностью ФЭУ-22. Он имеет боковой оптический вход и серебряно-кислородно-цезиевый фото­ катод с размерами 5 X 16 мм2 на металлической пластине. В колбе прибора расположены 13 эмиттеров из алюминиево-

магниевого сплава. Аноды каскадов выведены через боко­ вую стенку колбы. Чувствительность фотокатода состав­ ляет 5 мкА/лм, темновой ток іт = 2 - Ю - 9 А. Характери­ стики зависимости усиления (кривые 1 и 2) и темновых то­ ков іт (кривые 3 и 4) от напряжения U на каскад приведены на рис. 30. ФЭУ-22 отличается хорошей линейностью «све­ товой» характеристики (при £ / р а 6 = 400 В) и хорошей ста­ бильностью (работает до 1000 ч без изменения параметров).

Канальные ФЭУ (с непрерывным динодом) (29, 34, 38). ФЭУ обычных конструкций с разделенными каскадами ум­ ножения (динодами) обладают принципиальным недостат­ ком — рассеянием электронов, ограничивающим усиление. В 60-х годах появились ФЭУ совершенно иной конструк­ ции (впервые предложенные в СССР еще в 1940 г. Г. С. Вильдгрубе), называемые в настоящее время каналь­ ными фотоэлектронными умножителями (КФЭУ).

74

Действие КФЭУ основано на использовании движения испускаемых с фотокатода (в частности серебряно-кисло- родно-цезиевого) электронов с начальными скоростями внутри непрерывного динода — канала, образуемого длин­ ной трубкой. В канале, к концам которого приложено рабочее напряжение, создается равномерное электрическое поле, в котором электроны движутся по многократно по­ вторяющимся периодическим траекториям. При этом ка­ налу придается форма спирали из двух-трех витков (рис. 31), а стенки канала являются эмиттерами, умножающими элек­ троны. Канал изготовляется из восстановленного в водо­ роде свинцового стекла; такое стекло с высоким содержа­ нием РЬО после термообработки в водороде приобретает повышенную поверхностную электропроводность за счет восстановления ионов свинца.

Каналы имеют внутренний диаметр порядка 1,5 мм и длину, превышающую диаметр в 50—60 раз. Сопротивле­ ние каналов между торцами порядка 108 Ом. При рабочем напряжении 2000 В и более достигается усиление 10е—10', причем темновой ток составляет Ю - 9 А.

В настоящее время изготовляются миниатюрные КФЭУ очень малых размеров (например, с колбой диаметром 15 мм, длиной 45 мм и менее и весом 4 — 6,5 г). Фотокатоды в таких КФЭУ устраиваются торцевые или боковые, КФЭУ могут работать при температурах от — 60 до + 70° С и устойчивы при сильных вибрациях и сотрясениях.

Фотогальваномагнитный приемник. Этот приемник яв­ ляется самым длинноволновым и малоинерционным неох-

.лаждаемым фотоэлектрическим приемником. Действие его основано на фотогальваномагнитном эффекте, открытом в 1934 г. советскими учеными И. К- Кикоиным и M. М. Но­ сковым: при помещении кристалла полупроводника в маг­

в нем электронно-дырочные пары в слое, близком к поверх­ ности, на которую падает излучение. В этом слое создается повышенная концентрация носителей и возникает их диф­ фузия от поверхности в глубину полупроводника. Если при этом магнитное поле направлено по нормали к падаю­ щему излучению, то носители разделяются, причем элек­ троны и дырки отклоняются к противоположным концам кристалла; возникает разность потенциалов, пропорцио­ нальная лучистому потоку, падающему на кристалл.

75

Многочисленные конструкции фотогальваномагнитных приемников в общем весьма сходны. Чувствительный эле­ мент представляет собой монокристалл сурьмянистого ин­ дия (InSb), размером около 1—2 мм3 , чрезвычайно тща­ тельно очищенный; кристалл помещается между полюсами постоянного магнита.

Разрез приемника показан на рис. 32. Магнит 1 из сплава альнико имеет полюсные наконечники 2 из мягкого железа (с малым магнитным сопротивлением). Торцы на­ конечников заострены, так что на­ пряженность магнитного поля

ввоздушном зазоре достигает

концов кристалла перпендикулярно направлениям маг­ нитного поля и падающего лучистого потока присоединены выводы. Корпус 4 герметизирован (от попадания влаги, пыли и частиц железа). Излучение падает на чувствитель­ ный элемент через окно 5, прозрачное для инфракрасных излучений в диапазоне чувствительности InSb (тонкая слюда, флюорит, сапфир и т. д.). Основным видом шума приемника является джонсоновский шум сопротивления.

В табл. 16 приведены параметры фотогальваиомагнит­ ного приемника из InSb [26] фирмы «Мидуэй» (США), по­ лученные при частоте модуляции Д1 0 д = 90 Гц. Интег­ ральная чувствительность S и пороговая чувствительность Ф п о р даны для К = 6,2 мкм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности.

76

рис. 33 показана принципиальная схема вентильного фо­ тоэлемента. На подложке из металла / (непрозрачный элек­ трод) нанесены возгонкой в вакууме тонкий слой 2 полу­ проводника n-типа, а поверх него слой 3 полупроводника р-типа. Поверх полупроводниковых слоев напылен тон­ чайший слой металла (золота, платины), полупрозрачный для падающего излучения и представляющий собой второй электрод 4.

Между полупроводниковыми слоями 2 и 3 создается р—/г-переход и возникает внутренняя э. д. с. ЕЛ, направ­ ленная от /г-слоя к р-слою. При облучении фотоэлемента поглощенные полупроводником кванты излучения создают вблизи от его поверхности электронно-дырочные пары, концентрация которых вследствие диффузии уменьшается по направлению от облучаемой поверхности к р—п-пере- ходу. Если р—«-переход находится от поверхности на рас­ стоянии, меньшем длины диффузионного смещения, то электронно-дырочные пары будут подходить к р—«-пере­ ходу, где внутреннее поле перехода £ д будет разделять носители. Электроны перейдут в /г-область (как неосновные носители), а дырки останутся в р-области (как основные носители, для которых поле Ер представляет потенциаль-

77

ный барьер). В результате этого накопление свободных электронов в /г-области и свободных дырок в р-области соз­ даст разность потенциалов на электродах приемника, тем большую, чем больше фотонов было поглощено чувстви­ тельной поверхностью, т. е. чем больше ее энергетическая освещенность.

В качестве приемников инфракрасных излучений при­ меняют вентильные сернисто-таллиевые (TIS) фотоэлементы, разработанные Б. Т. Коломийцем, и сернисто-серебряные

вают область применения вентильных фотоэлементов, не­ смотря на их высокую интегральную чувствительность.

Сернисто-серебряные вентильные фотоэлементы выпу­ скаются в нашей стране под марками ФЭСС-У2, ФЭСС-УЗ, ФЭСС-УЮ (цифра обозначает площадь ап -чувствительной поверхности в 1 см2 ). Эти фотоэлементы весьма стабильны и характерны незначительным старением (увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением тока короткого

ход, включенный в последовательную цепь, состоящую из источника запирающего напряжения и нагрузки. При от­ сутствии освещения в цепи протекает темновой ток (обрат­ ный ток запертого диода, вызываемый тепловой диффузией неосновных носителей тока в полупроводнике). При ос-

78

вещении диода поглощаемые кванты излучения вызывают появление электронно-дырочных пар. Если эти пары воз­ никают на расстоянии от р—л-перехода, не превышающем диффузионной длины (так же как в вентильном фотоэле­ менте), то они доходят до перехода раньше, чем успевают рекомбинировать. У перехода парные заряды разделяются, причем неосновные для данной области заряды увлекаются полем перехода, а основные носители, оставшиеся у пере­ хода, создают объемный заряд, поле которого увлекает их в противоположную сторону.

На рис. 34 показано семейство вольт-амперных характе­ ристик германиевого фотодиода ФД-3, снятых при различ­

вых и кремниевых фотодиодов отечественного производства.

Фоторезисторы. Фоторезисторы являются наиболее ши­ роко применяемым видом фотоэлектрических приемников инфракрасных излучений. Действие фоторезисторов ос­ новано на внутреннем фотоэффекте, создающем фотопрово­ димость приемника, питаемого источником тока.

Чувствительный слой фоторезистора изготовляется из полупроводника с собственной или примесной проводи­ мостью. В первом случае энергия падающих на слой фо­ тонов тратится на образование в слое электронно-дырочных пар; во втором случае — на образование свободной-дырки и связанного электрона или свободного электрона и свя­ занной дырки. В том и другом случае при воздействии из­ лучения, фотоны которого имеют достаточную для возбуж­ дения энергию, увеличивается проводимость чувствитель­ ного слоя.

79