ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ Принцип действия

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ
Принцип действия фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) основан на
выбивании электронов с поверхности световыми квантами hω (внешний
фотоэффект) и последующем усилении электронного потока с помощью
вторичной электронной эмиссии.
Фотоумножитель обладает низкими шумами и высоким внутренним
сопротивлением по току. Он является самым чувствительным фотоприемником
из созданных человеком. При оптимальных режимах работы он может
регистрировать отдельные фотоны и световые мощности на уровне 10-19 Вт.
На рис.1 показана схема ФЭУ с боковым оптическим входом. Он состоит
из фотокатода ФК и нескольких электродов, называемых динодами, которые
обозначены цифрами с 1 по 8. На них через штыревые выводы В с помощью
делителя подается внешнее напряжение таким образом, что по мере удаления
от катода потенциал каждого последующего динода увеличивается примерно
на 100 В.
Рис.1
Последний электрод А – анод предназначен для сбора электронов. Вся
система помещена в вакуумную колбу. Вакуум должен быть достаточно
высоким, чтобы исключить столкновение электронов с молекулами газа. Форма
динодов подобрана так, что электроны, испускаемые фотокатодом,
фокусируются электростатическим способом и ускоряются к первому диноду,
достигая его с энергией порядка 100 эВ и выбивая с его поверхности вторичные
электроны (вторичная электронная эмиссия). Этот процесс повторяется на
каждом диноде и приводит к значительному усилению начального фототока.
Если коэффициент вторичного электронного умножения принять равным
q, т.е. считать, что на каждый первичный электрон возникает q вторичных
электронов, а число динодов N, то полное усиление по току между катодом и
анодом составит K=gN. Типичное значение q=5, так что при N=9 получаем
K=2*106.
Главной частью ФЭУ является фотокатод. Он преобразует оптическое
излучение в поток электронов за счет внешнего фотоэффекта. Если материалом
фотокатода является металлическая пленка, то электрон с энергией вблизи
уровня Ферми F, взаимодействуя с фотоном hω , переходит в состояние с
энергией F+ hω . Если эта энергия превышает работу выхода eϕ электрона из
металла в вакуум, то электрон может выйти наружу, обладая кинетической
энергией:
1
Отношение числа испущенных электронов к числу поглощенных фотонов
называется квантовой эффективностью фотокатода. Очевидно, что существует
минимальная энергия фотонов hω 0 = eϕ и максимальная длина волны
λ0 = hc / eϕ , определяющие «красную границу» фоточувствительности.
Из всех металлов наименьшей работой выхода eϕ =2 эВ обладает цезий
(Cs). Еще меньше работа выхода у окиси цезия ( eϕ =1,1 эВ), являющейся
полупроводником.
Для фотокатодов желательно использовать полупроводники р-типа.
При большой работе выхода eϕ >3 Еg, велика вероятность потери энергии
возбужденного электроном фотона за счет процесса ударной ионизации.
Поэтому для фотокатодов используются материалы с низкой работой выхода
электронов с поверхности.
Обычно это полупроводниковые соединения на основе Ag-О-Cs или Sb-Cs
с работой выхода около 1,1...1,8 эВ (4,5 эВ для обычных металлов).
Длинноволновая граница фоточувствительности ФЭУ с такими фотокатодами
лежит в районе (0,7…1,0) мкм.
ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Фоторезистор представляет собой простейший тип фотонного
фотоприемника, принцип действия которого основан на фоторезистивном
эффекте в однородном полупроводнике. Поскольку в разных спектральных
диапазонах фотопроводимость полупроводника определяется различными по
своей природе процессами собственного или примесного поглощения, то
различают собственные и примесные фоторезисторы. Первые, как правило,
предназначены для работы в видимой и ближней ИК-областях спектра. Их
спектральный диапазон определяется шириной запрещенной зоны
используемого материала. Вторые предназначены для работы в средней и
дальней ИК-областях спектра и их спектральный диапазон определяется
энергией ионизации примеси в полупроводнике. Примесные фоторезисторы,
как правило, требуют глубокого охлаждения.
Фоторезистор выполняется в виде тонкой пластинки полупроводника,
изготовленного из монокристаллической (иногда – поликристаллической)
пленки с омическими контактами. Эти контакты наносятся или на
противоположных концах пластинки, или в виде «гребенки», как показано на
рис.2.
Фоточувствительный элемент закрепляется на специальном держателе.
Фоторезистор как фотоприемник характеризуется параметрами,
рассмотренными выше. Кроме того, его специфическими характеристиками
являются темновое Rт и световое Rсв, сопротивления и их отношение Rт/Rсв,
определяемое как кратность изменения сопротивления фоторезистора в темноте
и при заданной засветке, а также коэффициент внутреннего усиления фототока
KI.
2
Рис.2
Рассчитывать фототок в общем случае довольно затруднительно,
поскольку в фоторезисторе, как и в любом другом фотонном фотоприемнике,
необходимо учитывать три основных процесса:
1) генерацию носителей светом, которая происходит неравномерно по
толщине фоточувствительного слоя;
2) перенос носителей заряда путем диффузии и дрейфа с возможным их
умножением за счет внутреннего механизма усиления тока;
3) взаимодействие тока с внешней цепью, обеспечивающее получение
выходного сигнала.
Поэтому для оценки параметров фоторезисторов в большинстве случаев
допускают упрощения, предполагая, что:
• фоторезистор представляет собой параллелепипед;
• рабочая область фоторезистора освещена равномерно по площади,
излучение полностью поглощается в полупроводнике и генерируемые
носители равномерно распределяются по толщине рабочего слоя;
• дрейф и рекомбинация носителей заряда в объеме характеризуются
некоторыми усредненными постоянными значениями подвижности и
временами жизни;
• полупроводник обладает монополярной фотопроводимостью, для
конкретности электронной; это означает, что генерируемые дырки
быстро захватываются центрами рекомбинации, так что время жизни
электронов больше времени жизни дырок;
• реализуется высокий уровень возбуждения.
При этих упрощениях получим:
(1)
где ρТ – плотность; β – квантовый выход фотопроводимости; µn – подвижность
электронов; τn – время жизни электронов; Фω – мощность светового потока; V –
объем пленки фоторезистора; ω – частота; h – постоянная Планка.
3
(2)
(3)
есть среднее время пролета электрона через фоторезистор.
Анализ выражений (1) – (3) показывает, что для достижения высоких
значений Rт/Rсв и КI, необходимо применять полупроводники с высокими
значениями подвижности и времени жизни носителей заряда.
Основным источником шума в полупроводниковых фотодетекторах
являются процессы генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар. Этот
шум называется генерационно-рекомбинационным. Он не зависит от частоты.
Вклад в генерационно-рекомбинационный шум вносят как оптические, так и
тепловые процессы возбуждения.
В связи с большой инерционностью применение фоторезисторов как
демодуляторов сигналов в оптической электронике ограничено. Если на основе
одного и того же материала могут быть изготовлены и фотодиод, и
фоторезистор, то при одинаковых условиях возбуждения параметры первого,
как правило, оказываются выше.
4