9.1. Принципы действия фотоэлектрических ПОИ. ПОИ на внешнем фотоэффекте
В основе внешнего фотоэффекта лежит эмиссия фотоэлектронов под действием падающего излучения. Эмитируемые электроны под действием приложенного напряжения направляются от эмиттера к аноду, создавая во внешней цепи ток. Рассмотрим основные закономерности внешнего фотоэффекта.
1. Закон Столетова – Герца: фототок прямо пропорционален интенсивности возбуждающего его излучения.
2. Закон Эйнштейна: энергия фотоэлектрона не зависит от интенсивности излучения, а линейно зависит от частоты излучения:
 |
(9.1) |
где еφ – работа выхода вещества фотокатода;
m, e – масса и заряд электрона;
v – скорость электронов;
ν – частота падающего излучения;
h – постоянная Планка.
Согласно (9.1), можно получить значение длины волны 
, при котором оптическое излучение уже не вызывает эмиссии фотоэлектронов с поверхности фотокатода:
При v = 0, hν = eφ
 |
(9.2) |
Из (9.2) видно, что с уменьшением eφ увеличивается λгр, поэтому для работы в ИК области спектра необходимо в качестве материалов фотокатодов иметь вещества с малой работой выхода, как, например, соединение щелочных металлов: цезия, натрия, калия и др. Рассмотрим, как формируется чувствительность фотоэлектрических приемников оптического излучения.
При некоторой постоянной облученности число эффективных фотоэлектронов в единицу времени определяется как:
 |
(9.3) |
где qν – квантовая эффективность (отношение числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов, попавших на фотокатод);
Фν – поток, облучающий фотокатод;
hν – энергия одного кванта.
Предположим, что все фотоэлектроны дойдут до анода фотоэлемента, тогда фототок iν равен:
 |
(9.4) |
Напряжение сигнала на нагрузке Rн определяется из следующей формулы:
 |
(9.5) |
В общем случае, для сплошного по спектру излучения, выражение (9.5) будет иметь вид:
 |
(9.6) |
Используя (9.6), интегральную чувствительность фотоэлемента на внешнем фотоэффекте получим в виде:
 |
(9.7) |
Как следует из (9.7), в значительной степени чувствительность Sи зависит от квантовой эффективности фотокатода.
9.2. Фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Основные параметры и характеристики
9.2.1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
К этим приемникам относятся газонаполненные фотоэлементы (ФЭ).
В качестве фотокатодов таких приемников наиболее часто используется:
А) кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод;
Б) сурьмяно-цезиевый фотокатод;
В) мультищелочные катоды (соединение натрия, калия, сурьмы и цезия);
Г) фотокатод с «отрицательным электронным сродством».
А. Спектральная характеристика таких фотокатодов имеет ярко выраженный максимум приблизительно на λ = (0,5…0,7) мкм. В зависимости от технологии изготовления катода, этот максимум смещается до 0,9 мкм. Граничная длина волны обычно равна λгр = 1,1…1,2 мкм. Эти характеристики определяются для излучателя (источника типа А) – лампа накаливания с вольфрамовой нитью, имеющей цветовую температуру Тц = 2854 К.
Интегральная чувствительность SI таких катодов лежит в пределах 20 – 60 мка/лм. Постоянная времени τ = 10-9с.
Б. Сурьмяно-цезиевый фотокатод: λм = 0,6 мкм; в ИК области катод чувствителен до 0,9 мкм; SI = 40…60 мка/лм.
В. Кривая спектральной чувствительности мультищелочных катодов схожа с аналогичной для сурьмяно-цезиевого фотокатода, но SI у данного катода гораздо выше – 150 мка/лм, что объясняется большей чувствительностью в длинноволновой границе спектральной характеристики.
Рассмотрим характеристики ФЭ.
А. Фотокатоды ФЭ имеют неодинаковую чувствительность по всей поверхности.
Б. Характеристики воздушных и газонаполненных фотоэлементов существенно различны. Так, для вакуумных ФЭ, фототок насыщения наступает при 25 В для малых долей световых потоков (порядка десятых долей люмена); для световых потоков порядка 1 лм и более – насыщение наступает при ~100 В (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Вольт-амперные характеристики фотоэлементов
Вольт-амперные характеристики газонаполненых ФЭ вообще не допускают насыщения (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Вольт-амперная характеристика газонаполненных фотоэлементов
В. Световые характеристики вакуумных ФЭ, снимаемые при токе насыщения, линейны в широком диапазоне падающих на них световых потоков (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Световые характеристики вакуумных фотоэлементов
9.2.2. Фотоэлектрические умножители (ФЭУ)
А. Работа ФЭУ основана на вторичной электронной эмиссии, суть которой состоит в эмиссии вторичных электронов из некоторых веществ при их бомбардировке первичными фотоэлектронами с соответствующей энергией.
ФЭУ состоит из вторичных эмиттеров-доноров D1, D2 и электрода, собирающего вторичные электроны – анода А (рис. 9.4).
Рис. 9.4. Схема включения фотоэлектрического умножителя
Вся конструкция помещается в стеклянный баллон, в котором создан вакуум (~10-8…10-9 мм рт.ст.). Напряжение uп, приложенное к ФЭУ, с помощью делителей напряжения R, R, R,… распределяется между электродами так, что каждый последующий динод, начиная с первого после катода, находится под более высоким положительным потенциалом, чем предыдущий. Поэтому, первичный электрон, вырванный светом из фотокатода, под действием ускоряющего поля направляется на первый динод и падает на него, обладая кинетической энергией для эмиссии вторичных электронов. Материал динода имеет коэффициент вторичной электронной эмиссии γ > 1, т.е. каждый первичный электрон выбивает из его поверхности более одного вторичного электрона. Следовательно, после 1-го динода число электронов, направленных ко второму диноду будет в γ раз больше числа электронов, вырванных излучением из фотокатода.
Таким образом, общий коэффициент усиления первичного фототока в ФЭУ будет равен:
 |
(9.8) |
где n – число каскадов усиления.
В современных ФЭУ μ доходит до 1010, а их интегральная чувствительность 100…1000 а/лм, т. е. превосходит чувствительность вакуумных элементов в 106 – 107раз;
Б. Не останавливаясь на конструкциях и многочисленных возможностях в применении ФЭУ, следует отметить, что параметры современных ФЭУ позволяют применять их как для регистрации чрезвычайно малых световых потоков (10-16 лм) или (~10-18 Вт), так и в случае приема очень мощных излучений.
Необходимо еще отметить свойства линейности световых характеристик ФЭУ.
К недостаткам ФЭУ следует отнести необходимость очень большого стабилизированного напряжения (~600…1800 В) для питания, возможность потери эмиссионной способности некоторых видов ФЭУ при освещении значительными световыми потоками, большие габариты и сложность включения.
Для ФЭУ следует также учитывать шум, обусловленный вторичной эмиссией, и шум в нагрузке. Это приводит к увеличению среднеквадратичного значения дробового шума, что учитывается вводом дополнительного множителя (1 + В) и коэффициентом усиления ФЭУ μ = γn в формуле для дробового шума (см. раздел по шумам).
Рассмотрим это подробнее.
С учетом дробового тока первого эмиттера на выходе первого каскада имеем:
– дробовой шум фотокатода;
 |
(9.9) |
Выражение (9.9) – дисперсия дробового тока фотокатода после динода (эмиттера), где
m1э – коэффициент усиления первого эмиттера;
2ei1Δf – дробовой ток первого эмиттера;
i1 = im1э – ток первого эмиттера;
i – ток фотокатода.
Раскрывая значения Δi-2 в (9.9), получаем:
 |
(9.10) |
Аналогично, на входе второго каскада дробовой ток будет следующим:
 |
(9.11) |
и на выходе n-го каскада:
 |
(9.12) |
Допустим, что m1э = m2э = ... mnэ = γ и γn = μ, то (9.12) имеет вид:
 |
(9.13) |
Поскольку γn+1>>1 , то (9.13) можно представить в виде:
 |
(9.14) |
Введем обозначение: γ/(γ-1) = 1+B, тогда (9.14) будет выглядеть следующим образом:
 |
(9.15) |
В ФЭУ с электростатической фокусировкой множитель (1 + В) принимаем равным 2,5. Учтем тепловой шум на нагрузочном сопротивлении Rн по формуле:
 |
(9.16) |
Тогда, учитывая (9.15) и (9.16), суммарный шум на входе усилителя будет иметь вид:
 |
(9.17) |
Пороговый поток ФЭУ определяется из выражения:
 |
(9.18) |
где SФЭУ – интегральная чувствительность ФЭУ.
Используя (9.17) и (9.18), имеем:
 |
(9.19) |
9.2.3. ПОИ на внутреннем фотоэффекте. Фоторезисторы, их основные параметры и характеристики, режим работы
В основе механизма работы фотосопротивления и фоторезистора лежит изменение электропроводимости чувствительного слоя при его облучении. Основными параметрами и характеристиками этого типа приемников оптического излучения являются спектральная характеристика, интегральная чувствительность, постоянная времени, темновое сопротивление, энергетические, температурные и фоновые характеристики.
Типовая схема включения фоторезистора представлены на рис. 9.5.
Рис. 9.5. Типовая схема включения фоторезистора
Величина наблюдаемого сигнала определяется изменением напряжения на нагрузочном сопротивлении RН при изменении сопротивления фотослоя RФ.
Если uп – напряжение питания приемника, то при изменении RФ на dRФ, сигнал изменится на du. Разберем это подробнее:
а) ΔRФ << RФ
 |
(9.20) |
 |
(9.21) |
 |
(9.21') |
 |
(9.22) |
б) как известно из теоретической электротехники, для получения минимальной мощности в схеме из 2-х последовательных сопротивлений (Rн и Rф) необходимо, чтобы Rн = Rф; тогда (9.22) примет вид:
 |
(9.23) |
Интегральная и вольтовая чувствительность:
 |
(9.24) |
 |
(9.25) |
Параметры и характеристики фоторезисторов. Наиболее широко применяются следующие фоторезисторы: сернисто-свинцовые (PbS), селеново-свинцовые (PbSe), теллуристо-свинцовые (PbTe), сурьмяно-индиевые (InSb) и фотосопротивления на базе германия или кремния (например, (Ge:Au)):
а) PbS – область спектральной чувствительности Δλ = 0,6…3,0 мкм – неохлажденный; λmax = 2,1 мкм, λгр = 3 мкм. При охлаждении: λmax = 2,7 мкм (T ~ 77 K)), λгр = 4 мкм.
Порог чувствительности ~ 10-10…10-11 Вт×см-1·Гц-1/2. Вольтовая чувствительность зависит от параметров цепи включения и достигает при uп = 10…50 В и Rн = 104…105 Ом величин ~ 1000 В/Вт;
б) PbSe – обладает большими шумами в неохлажденном состоянии. При охлаждении: λmax = 2,3…3,4 мкм, λгр = 5,5 мкм. Порог чувствительности достигает 10-10 Вт∙см∙Гц-1/2, τ = 10-4 с; Rт = 106…5·106 Ом;
в) PbTe – при T = 77 K, λmax = 4,5 мкм, λгр = 6 мкм, τ = 10-5 с. Пороговая чувствительность примерно та же, что и у PbSe;
г) InSb появился сравнительно недавно, но сразу привлек внимание разработчиков ОЭС, что объясняется его широким диапазоном спектральной чувствительности (∆λ ~ 3…6 мкм), λmax = 5,5 мкм, λгр = 5,6 …6,0 мкм; Фп = 10-10 Вт∙см-1∙Гц-1/2, Rт = 104 Ом, τ = 10-6 с;
д) в реальных ОЭС, помимо получения оптического сигнала от объектов, на чувствительный слой попадает и излучение мерцающих фонов. Наличие последних вызывает уменьшение Rф и в отсутствии полезных сигналов. Это необходимо учитывать при выборе Rн. Это осуществляется, если известна энергетическая характеристика приемника, т.е. зависимость Rф = f(E). Типичная зависимость f(E) представлена на рис. 9.6:
Рис. 9.6. Энергетическая характеристика фоторезисторов
В качестве аргумента взята освещенность слоя E немодулированным излучением фона.
На рис. 9.6 для небольших E справедлива линейная зависимость:
 |
(9.26) |
где K – крутизна характеристики.
Для несколько больших Е, кривую можно аппроксимировать зависимостью:
где b – постоянный коэффициент, характерный для конкретных экземпляров фотосопротивлений.
