3.3.1.  Электронные фотоэлементы

Рассмотрим устройство электронного электровакуумного фотоэлемента (рис. 3.1, а). В стеклянном баллоне в высоком вакууме размеще­ны два электрода – катод 1 и анод 2. Анодом обычно является небольшое металлическое кольцо, расположенное в центре баллона, катодом – тонкий светочувствительный слой, нанесенный на внутреннюю поверх­ность баллона.

10 5

9

4 5

В цепи ано­да А (рис. 3.1, б) находятся источник постоянного напряжения (150 – 200) В и нагрузка R. При освещении фотоэлемента его катод К начинает эмиттировать электроны, и в анодной цепи возникает ток, величина которо­го пропорциональна интенсивности светового потока (Ф), его принято называть фототоком:

.

Рис. 3.1. Устройство электронного электровакуумного фотоэлемента (а) и схема его включения (б): 1 – катод; 2 – анод

При изменении светового потока пропорционально изменяется фототок, а значение выходного напряжения равно:

.

Таким образом, в фотоэлементе осуществляется управление вы­ходным напряжением с помощью света.

Электронные фотоэлементы используют в качестве фотоприемни­ков. Величина

называется интегральной чувствительностью фотоэлемента. Она ха­рактеризует фототок в микроамперах, вызываемый световым потоком в 1 лм (мкА/лм), полученным от источника света определенного типа.

Для повышения интегральной чувствительности фотоэлемента его катод следует изготавливать  из материалов, в которых эффективность передачи энергии квантов света электронам достаточно высока, а ра­бота выхода электронов минимальна. Поскольку красная граница фотоэффекта у всех металлов, кроме щелочных, лежит в ультрафиоле­товой или крайней фиолетовой области спектра, в современных фото­элементах наибольшее применение получили полупроводниковые фото­катоды, например кислородно-цезиевый или кислородно-серебряно-цезиевый (рис. 3.2). Тонкий слой серебра, нанесенный на внутреннюю поверх

ность стеклянного балло­на, покрыт полупроводящим слоем окиси цезия и окиси серебра с вкрапленными атомами чистого цезия и серебра. Интегральная чувствитель­ность кислородно-цезиевого фотокатода составляет 20 – 60 мкА/лм.

Применяют также сурьмяно-цезиевые фотокатоды, у которых по­лупроводящий слой состоит из соединения сурьмы с цезием. Этот слой наносят либо непосредственно на стекло баллона, либо на ме­таллическую пластину. Интегральная чувствительность сурьмяно-цезиевого фотокатода достигает 100 мкА/лм.

Помимо интегральной чувствительности () важным параметром фотокатода является его монохроматическая чувствительность (), которая характеризует фототок, возникающий под действием светово­го потока () определенной длины волны:

.

Зависимость монохроматической чувствительности от длины вол­ны падающего на фотокатод света называется спектральной характе­ристикой фотокатода. На рис. 3.3 показаны спектральные характе­ристики некоторых фотокатодов, применяемых в электронной технике. Из характеристик следует, что фотокатоды существенн
о различаются по монохроматической чувствительности.

Для правильного выбора рабочего режима фотоэлемента необхо­димо знать его выходные характеристики  (рис. 3.4). С повышением анодного напряжения анодный ток вначале быстро возрастает, а затем достигает предельного значения  определяется эмиссией фотокатода, поэтому эмиссиия тем больше, чем больше световой поток (Ф).

В фотоэлементах с сурьмяно-цезиевым фотокатодом при больших световых потоках наблюдается монотонное увеличение анодного тока (рис. 3.4, а) и в режиме насыщения (штриховая линия). Это явление обусловлено большим электрическим сопротивлением эмиттирующего слоя фотокатода. Проходя через этот слой, ток эмиссии создает меж­ду удаленными точками фотокатода значительную разность потенциа­лов, в результате часть эмиттируемых электронов устремляется не на анод, а на участки катода, имеющие высокий положительный потен­циал, где возникает вторичная эмиссия, что и приводит к дополни­тельному росту анодного тока.

Рис. 3.4. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики фотоэлементов

Зависимость фототока от светового потока

      при    

– это световая передаточная характеристика фотоэлемента. Если же в качестве аргумента взят поток энергии излучения (), т.е. мощность излучения, то передаточную характеристику называют энергетической. Передаточная характеристика обычно линейна (рис. 3.4, б, кри­вая 1), но в фотоэлементах с сурьмяно-цезиевым фотока­тодом по причине, рассмотренной ранее, при больших световых пото­ках наблюдается отклонение от линейности (кривая 2).

В отсутствие потока излучения через фотоэлемент проходит не­большой темновой ток, его значение определяется главным образом термоэлектронной эмиссией фотокатода.

Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безынерционность. Время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10^-9 с.