Parametry a charakteristiky fotobuněk – Elektronika

Parametry fotočlánků, stejně jako polovodičových fotodetektorů, zahrnují citlivost, kvantový výnos (kvantovou účinnost), šum, minimální detekovatelný výkon záření (prahový tok), detekovatelnost, temný proud, časovou konstantu a odpor. Provozní a konstrukční parametry: maximální přípustný ztrátový výkon, nestabilita citlivosti a tempového proudu v čase, teplotní koeficient citlivosti atd.

Mezi hlavní charakteristiky fotočlánků patří: spektrální, voltampérové, energie, frekvence a teplota.

Charakteristika proud-napětí (voltampérová charakteristika) /_ф = f(U_a). I-V charakteristika fotočlánků se nazývá závislost fotoproudu /_ф od anodového napětí U_B při konstantním světelném toku Ф = konst. Typická I-V charakteristika fotobuňky je znázorněna na Obr. 16.42. Pro malé hodnoty U_a (spiknutí I na Obr. 16.42) zařízení implementuje režim prostorového náboje (viz kapitola 11), tj. na povrchu katody se vlivem fotoemise vytvoří oblast záporného prostorového náboje a ne všechny elektrony se dostanou k anodě (proud je omezen polem záporného prostorového náboje a je určen zákonem tří polovin). Jak se zvyšuje U_a rostoucí počet elektronů z oblasti prostorového náboje má možnost jít k anodě, proud se zvyšuje a hustota prostorového náboje klesá. Některé z elektronů dopadnou na povrch válce a způsobí emisi sekundárních elektronů s koeficientem a < 1.

Pozemek II na Obr. 16.42 odpovídá módu, ve kterém není v blízkosti katody žádný prostorový náboj a všechny jsou emitovány

Obr. 16.42

Koncentrované elektrony se dostanou k anodě (režim nasycení). Zvýšení intenzity světelného toku způsobí podle Stoletova zákona zvýšení emisního proudu a hodnota saturačního proudu bude větší. Hodnota napětí odpovídající začátku oblasti nasycení je dána konstrukcí zařízení a roste s rostoucí intenzitou světelného toku v důsledku nárůstu hustoty prostorového náboje na povrchu fotokatody.

Energetické (světelné) charakteristiky /_ф = /(F). Energetické (neboli světelné) charakteristiky se nazývají fotoproudové závislosti If od intenzity světelného toku F při konstantním anodovém napětí t/_a. Tyto charakteristiky jsou lineární v širokém rozsahu změny Ф (obr. 16.43), který je určen Stoletovovým zákonem, podle kterého fotoproud /_ф úměrné intenzitě světelného toku. Odchylka od linearity při velkých hodnotách Ф je způsobena vlivem prostorového náboje (od U_a = konst) a únava fotokatody, která je spojena s fyzikálními a chemickými procesy probíhajícími ve fotokatodě pod vlivem iontového bombardování a interakce se zbytkovými plyny atd.

Velikost únavy se určuje jako poměr

kde 5_/n — počáteční (při absenci únavy) citlivost na proud; — proudová citlivost v přítomnosti únavy, když dojde ke stabilizaci parametrů souvisejících s proudem.

Relativní pokles proudové citlivosti před tím, než dojde ke stabilizaci, je určen při nezměněném anodovém potenciálu a světelném toku.

Při Ф = 0 fotoproud /_ф mírně odlišné od nuly. Vzniká temný proud způsobený termionickou emisí elektronů z fotokatody při pokojové teplotě a svodovými (vodivými) proudy sklem baňky.

V přítomnosti zátěže (odpor H) v obvodu fotobuňky se může světelná charakteristika také výrazně lišit od lineární, zejména

Obr. 16.43

zejména pokud zatěžovací čára protíná I-V charakteristiku ve velkém Ф v oblasti odpovídající režimu omezení proudu prostorovým nábojem (úsek / např. při Я = na obr. 16.42).

Frekvenční charakteristiky = C/(/). Frekvenční charakteristiky fotočlánků jsou závislostí jejich citlivosti na frekvenci změny (modulace) intenzity světelného toku působícího na fotokatodu.

Frekvenční charakteristiky jsou určeny setrvačností fotočlánků. Na Obr. 16.44 ukazuje frekvenční charakteristiky fotobuňky s masivní fotokatodou (křivka!) a pulzní fotobuňkou (křivka 2). Snížení citlivosti při vysokých frekvencích modulace intenzity světla je spojeno s dobou, po kterou elektrony přejdou od katody k anodě, a vysvětluje se přechodnými procesy (relaxační dobou) v elektrickém obvodu, ve kterém je fotočlánek zahrnut. U běžných (nepulzních) průmyslových vakuových fotobuněk je doba letu t_пр je ~ 10″ 8 . 10“® s a mezielektrodová kapacita C ~ 10 pF, pro pulzní fotobuňky t_пр ~ 10 10 . 10 s, C ~ 11 pF. Sériové konvenční vakuové fotobuňky mají frekvenční rozsah do 3 g> Hz a pulsní – do 4° Hz.

Spektrální charakteristiky 5_ф(A.) = /(A.). Spektrální charakteristiky fotočlánků se nazývají závislost monochromatické citlivosti na vlnové délce X (neboli frekvence) elektromagnetického záření působícího na fotokatodu vakuové fotobuňky.

Spektrální charakteristiky pro fotokatody antimon-cesium (!) a kyslík-cesium (2) jsou na Obr. 16.45:XNUMX. Tyto

Obr. 16.44

Obr. 16.45

Charakteristiky jsou určeny především elektrofyzikálními parametry polovodičových materiálů, ze kterých jsou fotokatody vyrobeny. Fyzikální procesy, které určují průběh uvažovaných charakteristik, jsou zcela analogické jevům vyskytujícím se v polovodičových fotoelektrických zařízeních (viz část 16.4). Strukturální vlastnosti také ovlivňují povahu závislosti = /“(A.); Mezi ně patří především tloušťka fotokatody, materiál substrátu a fyzikální vlastnosti okénka (skla) fotodetektoru.

Kromě popsaných antimon-cesiových a kyslík-cesiových fotokatod se ve fotočláncích používají multialkalické fotokatody tvořené sloučeninami antimonu s atomy draslíku, sodíku a cesia č.₂K8Ь (so). Maximální citlivosti fotokatody je dosaženo, když je poměr sodíku k draslíku přibližně dva a obsah cesia je mnohem menší než draslík.

Uvažované parametry a charakteristiky fotočlánků podléhají změnám vlivem teploty, což se obvykle projevuje v podobě závislosti parametrů fotokatody na teplotě nebo teplotních koeficientech.