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.
|
|
|
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.