Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский государственный университет
А.Ф. Васильев, А.М. Чму...
72 downloads
433 Views
7MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский государственный университет
А.Ф. Васильев, А.М. Чмутин
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Учебное пособие
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200200 – Оптотехника и оптическим специальностям
Волгоград 2010
2
ББК 22.21я73 УДК 621.382+621.383 В19 Печатается по решению учебно-методической комиссии факультета физики и телекоммуникаций Рецензенты д-р физ.-мат. наук проф. Привалов В.Е. (СПбГПУ) и кафедра физики им. В.А. Фабриканта (МЭИ-ТУ)
Васильев А.Ф., Чмутин А.М. В19 Фотоэлектрические приемники излучения: Учебное пособие. Изд. 2-е, пересмотренное. – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2010. 80 с., илл. ISBN 978-5-9669-0742-6 Рассмотрены базовые закономерности внешнего и внутреннего фотоэффекта, элементы физики твердого тела. Описаны принцип действия, устройство и конструкция фотоэлементов, фотоумножителей, фоторезисторов, фотодиодов и гибридных приемников. Обобщены основные параметры и характеристики фотоэлектрических приемников излучения. Структурированы методические аспекты их применения. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 200200 «Оптотехника» и специальностям 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии», 200203 «Оптико-электронные системы и комплексы», 200204 «Оптические технологии и материалы». Может быть полезно для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Физика», «Радиофизика», «Радиотехника», «Телекоммуникации», «Приборостроение» и специальностям «Судебная экспертиза», «Наноматериалы». ББК 22.21я73 ISBN 978-5-9669-0742-6
© А.Ф. Васильев, А.М. Чмутин, 2005, © А.Ф. Васильев, А.М. Чмутин, 2010, пересмотренное…………………….
3
Содержание Предисловие…………………..…………………………………………... Введение…………………………………………………………………... Внешний фотоэффект………………..……………………………….….. Фотоэлементы…………………………………………………………….. Фотоумножители…………………………………………………………. Внутренний фотоэффект ………………………………..……………….. Фоторезисторы ………………………………………………………….... Фотодиоды ……………………………..……………………………….... Гибридные приемники …………………………………………………... Заключение ……………………………………………………………..… Приложение А ……………………..……………………………………... Приложение В …………………………………………………………..... Список литературы ………………...…………………………………..…
4 6 7 9 20 31 36 43 59 68 69 74 77
4
Предисловие. Первое издание [30] настоящей книги вышло пять лет назад под названием «Лекции по фотометрии» и предназначалось студентам всего лишь двух специальностей. Однако, несмотря на плодотворность фотометрических приложений к обучению физике и экспертизе, за прошедшее время проявилась насущная актуальность тематики и для сугубо оптических специальностей, традиционно развиваемых в ВолГУ. Это нашло свое отражение в присвоении учебному пособию грифа УМО и вытекающего из этого факта расширения ориентации книги на студентов направления 200200 «Оптотехника» и специальностей 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии», 200203 «Оптико-электронные системы и комплексы», 200204 «Оптические технологии и материалы». В связи с этим название книги было приведено в соответствие с требованиями государственных стандартов высшего профессионального образования по оптическим направлениям и специальностям. Текст был подвергнут незначительной корректировке редакторского характера, были исправлены замеченные опечатки. Переработки и дополнения материала не потребовалось. Таким образом, внесенные изменения оказались весьма малыми, что это дает право рассматривать второе издание как стереотипное. В книгу включены отдельные лекции по курсу «Основы фотометрии» [1], читавшиеся студентам-физикам (специализация 010433 «Физические и физико-химические методы криминалистической экспертизы»), начиная с 1997/1998 уч. г., студентам-криминалистам (специальность 350600 «Судебная экспертиза»), начиная с 2004/2005 уч. г., студентамисследователям (специальность 210602 «Наноматериалы»), начиная с 2007/2008 уч. г. и магистрантам различных направлений подготовки, начиная с 2008/2009 уч. г. При подготовке рукописи мы особенно старались компоновать материал таким образом, чтобы учебное пособие вы-
5
шло практичным: чтобы студенты пользовались им не только при подготовке теоретических вопросов к экзамену, но и при выполнении лабораторных, курсовых, дипломных работ в качестве источника справочных данных. Так, например, технические характеристики приведены для наиболее популярных и доступных фотоприемников преимущественно отечественного производства, и т.д., и т.п. И то, что наш замысел оправдался, подтверждалось на протяжении более чем десяти лет преподавания, – это становилось особенно заметным, когда приходилось работать со студентами, обучающими по специальностям/направлениям «Радиофизика» и «Радиотехника». В нынешнем издании материал по фотоэлектрическим приемникам излучения позиционируется как неотъемлемая часть учебной дисциплины «Источники и приемники излучения». В дальнейшем планируется дополнить его сведениями о несколько менее распространенных пироэлектрических и совсем уж экзотических термоэлектрических приемниках. Авторы признательны рецензентам – профессору Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ) Вадиму Евгеньевичу Привалову и профессору Московского энергетического института (МЭИ-ТУ) Бронюсу Симовичу Ринкевичюсу, подготовившему текст рецензии от кафедры физики им. В.А. Фабриканта. Без их одобрения и критики книга могла не приобрести имеющийся статус. Отдельная благодарность – коллегам из Саратовского центра стандартизации и метрологии Госстандарта РФ и Отраслевой научно-исследовательской лаборатории лазерной метрологии Госстандарта РФ (при ВолГУ), где авторам пришлось еще в 80-х и 90-х гг. немало поработать с фотоэлектрическими приемниками излучения, – многие результаты тех исследований были обобщены в этой книге. И, наконец, мы очень рады за своих студентов, которые при отнюдь не всегда блестящих собственных успехах на экзаменах и зачетах в каждом удобном случае демонстрировали невероятное чутье к слабым аргументам и рассеянности, подчас присущей преподавателям. А. Васильев, А. Чмутин
Волгоград, 2010
6
Введение. Изложение лекционного материала начинается с физических основ каждого типа фотоприемников, приводятся формулы, описывающие фундаментальные физические закономерности. В необходимых случаях освещаются конструктивные разновидности фотоприемников, основное внимание при этом уделяется современной элементной базе фотометрического приборостроения. Изложение продолжается описанием свойств фотоприемников: даются определения их параметров и характеристик. Большинство типовых характеристик демонстрируется на графиках, остальные описываются аналитически. По ограниченному ряду популярных отечественных и зарубежных моделей приводятся их технические параметры, иллюстрируются внешний вид и устройство. Завершается изложение материала структуризацией фотоприемников по функциональным особенностям их применения в различных областях фотометрии. При необходимости затрагиваются эксплуатационные свойства. Контрольные вопросы, отнесенные в конец каждого параграфа, как правило, совпадают с экзаменационными. К приложениям отнесены с одной стороны наиболее теоретизированные аспекты фотоэлектрического измерительного преобразования, с другой – наиболее экзотические из фотоэлектрических преобразователей с собственным усилением фототока. Свойства последних изложены по упрощенной схеме. Оговоримся сразу, что в настоящие лекции не вошли вопросы схемотехники фотометрических преобразователей излучения. Им, наряду с термоэлектрическими и пироэлектрическими приемниками, планируется посвятить отдельное издание. Используемые в книге обозначения соответствуют общепринятым [18] в данной области прикладной физики и инженерии.
7
Внешний фотоэффект. Рассмотрим физические основы и принцип действия приемных первичных измерительных преобразователей (ПИП) излучения на основе внешнего фотоэффекта. Сам внешний фотоэффект (иначе называемый фотоэлектронной эмиссией) определим как испускание электронов в вакуум либо газовую среду с поверхности фоточувствительного материала под действием падающего на него оптического излучения. Электроны эти обычно именуют фотоэлектронами, их ток – фототоком. Тогда приемным ПИП на внешнем фотоэффекте будет называться вакуумный или газонаполненный прибор, в котором поток фотоэлектронов, эмиттируемых отрицательным электродом (фотокатодом), ускоряется приложенной извне межэлектродной разностью потенциалов, бомбардирует положительный электрод (естественно, анод) и замыкается на фотокатод через внешнюю электрическую цепь. Материалом фотокатода могут служить отдельные металлы, их сплавы и полупроводники, эмиссия фотоэлектронов с которых описывается следующей последовательностью физических процессов: 1) поглощение фотона с передачей его энергии электрону, 2) диффузия возбужденного электрона к поверхности фотокатода, 3) уход его с поверхности фотокатода вовне. Затрачиваемое на все три процесса время в сумме не превышает 10–12 с (от поглощения фотона до порождения фотоэлектрона). Не все материалы пригодны для фотокатодов – эмиссия с таковых тормозится на третьей стадии, когда электрон оказывается не в состоянии преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Под последним понимается электрическое поле, актуализирующееся в тонком приповерхностном слое фотокатода и удерживающее электроны внутри него, а кинетическая энергия, которой достаточно обладать электрону, чтобы преодолеть этот поверхностный потенциальный барьер и стать свободным фотоэлектроном, именуется работой выхода. Неприемлемы для фотокатодов диэлектрики: их ничтожная проводимость исключает подпитку электронами от внешнего источника взамен эмиттированных [2]. Теперь определим количественно и охарактеризуем качественно те закономерности внешнего фотоэффекта, на которых базируются все типы используемых в фотометрии приемных ПИП оптического излучения. 1. Значение фототока (число фотоэлектронов, эмиттируемых фотокатодом в единицу времени) в режиме насыщения (все покидающие фотокатод фотоэлектроны собираются на анод, и фототок не зависит от питающего напряжения) прямо пропорционально поглощенной фотокатодом мощности излучения при неизменном спектральном составе падающего излучения – закон А.Г. Столетова (1888) I Φ Φ eSинт ,
8
где I Φ – фототок, А; e – поглощенная мощность излучения, Вт; Sинт – интегральный (по спектру) коэффициент преобразования фотокатода, А/Вт. 2. Максимальная энергия у эмиттированных фотоэлектронов пропорциональна частоте v падающего на фотокатод излучения и не зависит от значения мощности излучения – закон Ф. Ленарда (1899). Когда электрон вещества после взаимодействия с упавшим фотоном энергией hν эмиттировал в вакуум, имея кинетическую энергию (mv2/2)max и совершил работу выхода ЕФ, закон Ленарда можно интерпретировать, как закон сохранения энергии применительно ко внешнему фотоэффекту mv2 /2 max hν E Φ , где v и m – скорость и масса фотоэлектрона, h=6,63∙10–34 Дж∙с – постоянная Планка. 3. У любого вещества есть длинноволновая граница, очерчивающая возможность реализации внешнего фотоэффекта (красная граница), ибо энергия поглощаемых фотонов hν падает с увеличением длины волны и уменьшением частоты – закон А. Эйнштейна (1905). Иначе говоря, пороговая частота фотоэффекта ν соответствует столь малой энергии поглощаемых фотонов, что даже у самых быстрых фотоэлектронов кинетическая энергия (mv2/2)max=0, следовательно hν гр E Φ 0 и λ гр c/ν гр hc/E Φ 1,241/EΦ ,
где λ гр – граничная длина волны (мкм); с=3∙1014 мкм/с – скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме; [ЕФ]=эВ. 4. При ненулевых температурах Т красная граница внешнего фотоэффекта размывается за счет теплового разброса скоростей электронов, поглощающих фотон, – закон Фаулера-дю Бриджа (1928), описываемый соответствующим уравнением [3] I Φ (λ) const T 2 F(x) , x
где F(x h(ν ν гр )/kT) ln[1 exp(t)]dt – довольно известная функция,
чей интеграл, хоть и не справочный [4], но может быть найден по таблицам или разложен в ряд по [5]; k=1,3807∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
Контрольные вопросы. 1. Явление внешнего фотоэффекта. 2. Закон Столетова. 3. Закон Ленарда и уравнение Эйнштейна. 4. Красная граница внешнего фотоэффекта и закон Эйнштейна. 5. Закон Фаулера-дю Бриджа.
9
Фотоэлементы. Вакуумную/газонаполненную лампу, за счет фотоиндуцированной эмиссии электронов в вакуум/газ преобразующую энергию оптического излучения в электрический сигнал, называют электронным/ионным фотоэлементом. В отличие от лампового диода отрицательный вывод фотоэлемента принято именовать фотокатодом. В практику фотометрии наиболее вошли электронные фотоэлементы, поэтому рассмотрение начнем с них. Внешний вид ряда электронных фотоэлементов показан на
рис. 1. Рис. 1. Фотоэлемент: внешний вид (в порядке нумерации СЦВ-4, Ф-1 и Ф-4, Ф-27, Ф-10, Ф-8, Ф-2, Ф-9, Ф-7, Ф-5, Ф-13, Ф-17, Ф-18, Ф-16, Ф-25, Ф-22, ФЭК-09, Ф-23, Ф-21). Здесь А - анодные выводы, К - катодные выводы, ОК – выводы охранного кольца.
10
Габариты фотоэлемента, межэлектродный промежуток, питание и цоколевка диктуются назначением и исполнением той аппаратуры, для которой он предназначен, геометрия фотокатода и анода – гарантией попадания на анод всех эмиттированных электронов, а химический состав фотокатода и материал выходного окна на колбе фотоэлемента – спектральным диапазоном его коэффициента преобразования. Верхний край этого диапазона устанавливается первым фактором (красная граница фотоэффекта) и может ограничиваться вторым, нижний, обычно, – наоборот. Помимо сказанного, форма спектральной кривой коэффициента преобразования фотоэлемента зависит: от толщины фотокатода и химического состава его подложки, от напряжения питания (с его ростом растет вероятность попадания на анод все более энергетичных электронов, порождаемых все более коротковолновым излучением), от температуры фотокатода (с ростом последней падает работа выхода электрона). Влияет на нее и обусловленное непрерывной диффузией кислорода сквозь стенки колбы постоянное ухудшение чувствительности – старение фотокатода, и обусловленное мощной засветкой временное ухудшение чувствительности – утомление фотокатода. Последний эффект варьируется с составом и устройством фотокатодов (полупрозрачные утомляются быстрее массивных), с длительностью и скважностью импульсов засветки, с упорядоченностью пространственной экспозиции фотоэлемента. Его принято объяснять непродолжительным обеднением эмиттирующей фотоэлектроны области. В отличие от старения, адекватных методов расчета параметров утомления не предложено – приходится использовать эмпирические данные. Типичные зависимости коэффициента преобразования от времени облучения для наиболее сильно утомляющихся Cs–O–Ag фотокатоРис. 2. дов изображены на рис. 2. Фотоэлемент: утомление фотокатода. Сверху – при уменьшении длины волны засветки от кри-
11
вой 1 к кривой 4 (IR–R–G–B); посредине – при уменьшении освещенности от кривой 1 к кривой 4 (50–250–500–1000 лк); снизу – при увеличении напряжения питания от кривой 1 к кривой 4 (25–50–100–500 В). У Cs3Sb фотокатодов утомление проявляет те же закономерности, но в наименьшей степени. Остальные фотокатоды занимают промежуточное положение. Чтобы упростить описание спектральной чувствительности приемников на внешнем фотоэффекте в фотометрическом приборостроении стандартизованы системы типовых спектральных характеристик (рис. 3 и в табл. 1 сначала отечественная номенклатура приводится полностью, затем американская – выборочно с учетом доступности зарубежной элементной базы). Но UV-граница спектрального диапазона имеет в своей основе техническое, а не физическое ограничение, – для пролонгирования спектральных характеристик в вакуумный ( 0), и расширять (обратное смещение: Uп < 0). Положительную добавку со всеми вытекающими последствиями можно получить не только прикладывая напряжение извне, но и разогревая носители СВЧ излучением, и засвечивая р-n-переход. Из последующих выкладок очевидно (см., например, рис. 26), что при положительной фотоиндуцированной добавке прямое смещение попросту неэффективно. Тогда фотодиодный эффект самым естественным образом распадается на фотогальванический (Uп = 0), фотовольтаический (Uп