Параметры и характеристики фотоэлементов

В качестве параметров фотоэлементов, как и для полупроводниковых фотоприемников, используются чувствительность, квантовый выход (квантовая эффективность), шумы, минимально регистрируемая мощность излучения (пороговый поток), обнаружительная способность, темновой ток, постоянная времени, сопротивление. Эксплуатационные и конструктивные параметры: максимально допустимая рассеиваемая мощность, нестабильность чувствительности и темпового тока во времени, температурный коэффициент чувствительности и др.

К основным характеристикам фотоэлементов относятся: спектральные, вольт-амперные, энергетические, частотные, температурные.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) /_ф = f (U_a). ВАХ фотоэлементов называют зависимость фототока /_ф от напряжения анода U_B при неизменном световом потоке Ф = const. Типичная ВАХ фотоэлемента представлена на рис. 16.42. При малых значениях U_a (участок I на рис. 16.42) в приборе реализуется режим объемного заряда (см. гл. 11), т. е. у поверхности катода за счет фотоэмиссии образуется область отрицательного объемного заряда и не все электроны попадают на анод (ток ограничен полем объемного отрицательного заряда и определяется законом трех вторых). По мере увеличения U_a все большее количество электронов из области объемного заряда имеет возможность уйти на анод, ток растет, а плотность объемного заряда уменьшается. Часть электронов попадает на поверхность баллона, вызывая вторичную электронную эмиссию с коэффициентом, а < 1.

Участок II на рис. 16.42 соответствует режиму, при котором объемный заряд около катода отсутствует и все эмитиро;

Рис. 16.42.

ванные электроны попадают на анод (режим насыщения). Согласно закону Столетова, увеличение интенсивности светового потока будет вызывать нарастание тока эмиссии и величина тока насыщения будет больше. Значение напряжения, соответствующее началу участка насыщения, определяется конструкцией прибора и возрастает при увеличении интенсивности светового потока из-за возрастания плотности объемного заряда у поверхности фотокатода.

Энергетические (световые) характеристики /_ф = /(Ф). Энергетическими (или световыми) характеристиками называются зависимости фототока Iф от интенсивности светового потока Ф при неизменном анодном напряжении t/_a. Эти характеристики линейны в широком диапазоне изменения Ф (рис. 16.43), что определяется законом Столетова, согласно которому фототок /_ф пропорционален интенсивности светового потока. Отклонение от линейности при больших значениях Ф обусловлено влиянием объемного заряда (поскольку U_a = const) и утомлением фотокатода, которое связано с физико-химическими процессами, происходящими в фотокатоде под действием ионной бомбардировки и при взаимодействии с остаточными газами и т. д.

Величину утомления определяют, как отношение.

где 5_/н — начальная (при отсутствии утомления) токовая чувствительность; — токовая чувствительность при наличии утомления, когда наступает стабилизация параметров, связанных с током.

Относительное уменьшение токовой чувствительности до наступления стабилизации определяют при неизменных анодном потенциале и световом потоке.

При Ф = 0 фототок /_ф несколько отличается от нуля. Существует темновой ток, обусловленный термоэлектронной эмиссией электронов с фотокатода при комнатной температуре и токами утечки (проводимости) по стеклу баллона.

При наличии нагрузки (сопротивления Н) в цепи фотоэлемента световая характеристика также может существенно отклоняться от линейной, осо;

Рис. 16.43.

бенно если нагрузочная прямая будет пересекать ВАХ при больших Ф в области, соответствующей режиму ограничения тока объемным зарядом (участок /, например, при Я = на рис. 16.42).

Частотные характеристики = ц/(/). Частотными характеристиками фотоэлементов называют зависимость их чувствительности от частоты изменения (модуляции) интенсивности светового потока, воздействующего на фотокатод.

Частотные характеристики определяются инерционностью фотоэлементов. На рис. 16.44 приведены частотные характеристики фотоэлемента с массивным фотокатодом (кривая!) и импульсного фотоэлемента (кривая 2). Уменьшение чувствительности при высоких частотах модуляции интенсивности света связано с временем пролета электронов от катода до анода и объясняется переходными процессами (временем релаксации) в электрической цепи, в которую включен фотоэлемент. Для обычных (неимпульсных) промышленных электровакуумных фотоэлементов время пролета т_пр составляет ~ 10″ ⁸…10"® с, а междуэлектродная емкость С ~ 10…50 пФ, для импульсных фотоэлементов т_пр ~ 10 ¹⁰…10 ¹¹ с, С ~ 3…4пФ. Серийные обычные электровакуумные фотоэлементы имеют частотный диапазон до 10^г> Гц, а импульсные — до 10° Гц.

Спектральные характеристики 5_ф(А.) = /(А.). Спектральными характеристиками фотоэлементов называют зависимости монохроматической чувствительности от длины волны X (или частоты) электромагнитного излучения, воздействующего на фотокатод электровакуумного фотоэлемента.

Спектральные характеристики для сурьмяно-цезиевого (!) и кислородно-цезиевого (2) фотокатодов показаны на рис. 16.45. Эти.

Рис. 16.44.

Рис. 16.45.

характеристики определяются в основном электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, из которых изготовлены фотокатоды. Физические процессы, определяющие ход рассматриваемых характеристик, полностью аналогичны явлениям, происходящим в полупроводниковых фотоэлектрических приборах (см. п. 16.4). Конструктивные свойства также влияют на характер зависимости = /"(А.); к ним можно в первую очередь отнести толщину фотокатода, материал подложки, физические свойства окна (стекла) фотоприемника.

Кроме описанных сурьмяно-цезиевых и кислородно-цезиевых фотокатодов, в фотоэлементах применяют многощелочные фотокатоды, образованные соединениями сурьмы с атомами калия, натрия и цезия №₂К8Ь (Сб). Максимальная чувствительность фотокатода достигается, когда отношение натрия к калию приблизительно равно двум, а содержание цезия много меньше, чем калия.

Рассмотренные параметры и характеристики фотоэлементов подвержены изменениям под влиянием температуры, что обычно отражают в виде зависимости параметров фотокатодов от температуры или температурных коэффициентов.