1.4. Фототранзисторы. Фотодиоды.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока. ФД могут работать в двух режимах — фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n- пере

хода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Рисунок 3

На рисунке 3,а показаны световые характеристики ФД, на рисунке 3,б — вольтамперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениям нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из приведенных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется наличием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_xx в фотогенераторном режиме (рис. 3,б) не превышает 0,2 — 0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь до значений Характеристика I_к.з.= f (E) обладает большой линейностью, ток пропорционален освещенности до значения:

. Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей: -для германиевых ФД и Е=10⁵ —для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая 1) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рисунке 3,в.

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режиме при освещенности от стандартного источника с цветовой температурой T_цв.= 2360 К как

Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10^-13 —10^-14 Вт*Гц^-0.5, для германиевых 10^-12 Вт*Гц^-0.5. Для реализации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД, должны быть в диапазоне 5-50 МОм.

Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10^-8-10^-9 с) и постоянной времени RC-цепи, образованной емкостью p-n-перехода и последовательно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки R_н. Емкость p-n-перехода для фотодиодов составляет в зависимости от площади перехода 10 — 100 пФ и уменьшается с увеличением обратного напряжения, приложенного к переходу. При напряжениях примерно равных 10 В и сопротивлениях нагрузки не превышающих 10 — 100 кОм, частотный диапазон может достигать 0,1 — 1 МГц. Специальные ФД имеют частотный диапазон до 10⁸ — 10⁹ Гц. Характеристики ФД зависят от температуры. Для кремниевых ФД в генераторном режиме напряжение U_хх падает с уменьшением температуры примерно на 2,5 мВ/К, ток короткого замыкания увеличивается, относительное изменение тока составляет около 3*10^-3 К^-1. При повышении температуры максимум спектральной чувствительности смещается в сторону длинноволнового излучения, монохроматическая чувствительность увеличивается на 0,002 К^-1. Очень сильно зависит от температуры темновой ток, увеличиваясь при повышении температуры от 20 до 60⁰ С в сотни раз. На рисунке 4 приведены зависимости темновых токов от температуры для кремниевых (рис. 4,а) и германиевых (рис. 4,б) ФД.

14) Электронная эмиссия — явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости.

• Термоэлектронная эмиссия- Электронную эмиссию, возникающую в результате нагрева, называют термоэлектронной эмиссией (ТЭ). Явление ТЭ широко используют в вакуумных и газонаполняемых приборах.

• Электростатическая или Автоэлектронная эмиссия -Электростатической (автоэлектронной эмиссией) называют эмиссию электронов, обусловленную наличием у поверхности тела сильного электрического поля. Дополнительная энергия электронам твёрдого тела при этом не сообщается, но за счёт изменения формы потенциального барьера они приобретают способность выходить в вакуум.

• Фотоэлектронная эмиссия Фотоэлектронная эмиссия (ФЭ) или внешний фотоэффект — эмиссия электронов из вещества под действием падающего на его поверхность излучения. ФЭ объясняется на основе квантовой теории твёрдого тела и зонной теории твёрдого тела.

• Вторичная электронная эмиссия Испускание электронов поверхностью твёрдого тела при её бомбардировке электронами.

• Ионно-электронная эмиссия Испускание электронов металлом при его бомбардировке ионами.

• Взрывная электронная эмиссия Испускание электронов в результате окальных взрывов микроскопических областей эмиттера.

• Криогенная электронная эмиссия Испускания электронов ультрахолодными, охлаждёнными до криогенных температур поверхностями. Мало изученное явление.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где А — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

Автоэлектронная эмиссия — это испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, что свойственно другим видам электронной эмиссии. Суть явления состоит в туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер на поверхности тела. Такое туннелирование становится возможным за счет искривления потенциального барьера при приложении внешнего поля. При этом появляется область пространства вне тела, в которой электрон может существовать с той же энергией, которой он обладает, находясь в теле. Таким образом, автоэлектронная эмиссия обусловлена волновыми свойствами электронов^[1].

Впервые такое объяснение автоэмиссии было предложено в 1928 г. Фаулером и Нордгеймом. Ими впервые была получена формула, описывающая взаимосвязь плотности автоэлектронного тока j с напряженностью электрического поля E. Формула Фаулера - Нордгейма справедлива при токах автоэлектронной эмиссии j≤10⁸ А/см². При более высоких плотностях функция j(E) почти не зависит от работы выхода металла. Причина этого эффекта - появление объемного заряда вблизи эмиттера. Ток автоэлектронной эмиссии в этом случае определяется законом Чайлда - Ленгмюра.

Автоэлектронная эмиссия — это испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, что свойственно другим видам электронной эмиссии. Суть явления состоит в туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер на поверхности тела. Такое туннелирование становится возможным за счет искривления потенциального барьера при приложении внешнего поля. При этом появляется область пространства вне тела, в которой электрон может существовать с той же энергией, которой он обладает, находясь в теле. Таким образом, автоэлектронная эмиссия обусловлена волновыми свойствами электронов^[1].

Впервые такое объяснение автоэмиссии было предложено в 1928 г. Фаулером и Нордгеймом. Ими впервые была получена формула, описывающая взаимосвязь плотности автоэлектронного тока j с напряженностью электрического поля E. Формула Фаулера - Нордгейма справедлива при токах автоэлектронной эмиссии j≤10⁸ А/см². При более высоких плотностях функция j(E) почти не зависит от работы выхода металла. Причина этого эффекта - появление объемного заряда вблизи эмиттера. Ток автоэлектронной эмиссии в этом случае определяется законом Чайлда - Ленгмюра.

Каждый электровакуумный прибор состоит из катода- источника электронов или ионов, приемника частиц - анода, а также сеток, управляющих траекторией частиц. Все эти элементы помещаются в стеклянную, металлическую или керамическую оболочку, в которой поддерживается вакуум, необходимый для преодоления электронами или ионами расстояния от катода до анода с минимальными потерями от рассеяния на газе.