Главная Об электрических измерениях. Достоинства и недостатки




Рис. 4.45

ли. Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е = vh , где v - частота света; h - постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v-p = ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны Хгр = с/Vy.p, где с - скорость света, - длинноволновым порогом фотоэффекта. Если X > Хгр, то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлаиент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполнен--ных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 4.45. Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод- динод Эу. Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Эу, направляется на следующие диноды Эг - 3s, усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЭУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для это- го он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления /?„. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения Ry - Rs-Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и



5 ¥ 3 2

ФС-К1-

Фс-кг

О 200 500 woo 1500Е,т а)



Рис. 4.46

Фототек Тпк В темноте

используются для измерения очень малых световых потоков (до 10"* лк).

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сер-нистый кадмий, селенистый кадмий или сфнистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сфнисто-свинцовых Хгр ~ 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

(4.148)

где /ф - фототок; U - напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Типичная зависимость фототока от освещенности приведена на рис. 4.46,д. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

(4.149)

где i?T - темповое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; i?2oo - сопротивление при Е = 200 лк. ВАХ фоторезисторов линейна (рис. 4.46,5), т. е. их сопротивление не зависит от



50д 400 300 200 100

Рис. 4.47

С 2С 80 100и,Ъ

приложенного напряжения. Инерционность характеризуется постоянной времени т. У сфнисто-кадмиевых преобразователей т лежит в пределах 1-140 мс, у селенисто-кадмиевых - 0,5-20 мс.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению тфмис-торов Для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с р-и-пфеходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освешении пфехода создается дополнительная концентрация носителей в и-слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-и-пфе-ходу и в самом пфеходе. У диода, подключенного к запирающему напряжению (рис. 4.47,д), под действием света возрастает обратный ток. Вольт-амперная характеристика гфманиевого фотодиода приведена на рис. 4.47,6. При отсутствии освещения она не отличается от характеристики обычного диода, а при освещении смещается вверх пропорционально величине светового потока.

Наиболее распространены германиевые и кремниевые фотодиоды. Их спектральные характеристики заходят в область инфракрасного излучения (для германиевых фотодиодов до Хрр = 2 мкм, для кремниевых до = 1,2 мкм).

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь гюдклю-чают к запирающему напряжению (рис. 4.47,д). При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения £/„ на сопротивлении Напряжение и чувствительность можно определить по ВАХ и нагрузочной прямой (рис. 4.47,6). Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линей-, на. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обьмнО они работают в режиме, близком к короткому замыканию. 184



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 [59] 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114


0.0091