Фотоэмиссионные приборы. 
Электроника

Фотоэлектронная эмиссия наблюдается при воздействии света (инфракрасного, видимого или ультрафиолетового) на поверхность металла, полупроводника или диэлектрика.

Количественно плотность тока фотоэлектронной эмиссии для металлических фотокатодов может быть определена по формуле:

где Л_ф — постоянная, зависящая от материала катода и интенсивности светового потока; h — постоянная Планка; /— частота падающего на фотокатод монохроматического света; W — работа выхода.

При прочих равных условиях наибольший фототок отдают фотокатоды, выполненные из материалов с малой работой выхода. Фогокатоды должны иметь не только малую работу выхода, но и хорошо поглощать фотоны, как можно меньше отражая их.

В настоящее время широко применяют кислородно-цезиевые фотокатоды, выполняемые в виде тонкой пленки чистого серебра, осаждаемой на непроводящее основание (например, стекло, слюду, керамику), поверхность которой покрыта сложным слоем, состоящим из оксидов цезия, серебра и чистого цезия. Атомы последнего образуют моноатомную пленку на поверхности фотокатода, существенно увеличивающие его отдачу. Применяются также сурьмяно-цезиевые фотокатоды.

Простейшими фотоэмиссионными приборами являются двухэлектродные вакуумные или газонаполненные фотоэлементы.

Фотокатод обычно наносится непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Фотоны, попадая на фотокатод, выбивают из него фотоэлектроны, которые попадают в поле анода, (на который подается достаточно большое положительное относительно катода напряжение), захватываются этим полем, движутся к аноду и, попав на него, создают в цепи «фотокатод — анод — сопротивление нагрузки #»" ток, величина которого прямо пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод света.

Фотоэлементы могут быть вакуумными и газонаполненными, если баллон заполнен каким-нибудь инертным газом.

Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны — электроны эмигрируют с поверхности фотокатода через 10~‘°-10'⁹с после воздействия фотонов. Газонаполненные фотоэлементы весьма инерционны и могут нормально работать на частотах не более 10−20 кГц.

Фотоэлементы не являются эффективными преобразователями световой энергии в электрическую — при воздействии десяти фотонов эмитируется всего один, максимум два фотоэлектрона. Порог чувствительности фотоэлементов составляет 10 ⁸-10 ¹⁰ лм.

Для работы со световыми потоками малой интенсивности (от 10'¹⁶лм) применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), представляющие собой комбинацию фотоэлемента и многокаскадного вторично-электронного усилителя (рис. 1.23 б). При воздействии светового потока на полупрозрачный фотокатод с его внутренней поверхности эмитируются электроны, которые ускоряются полем первого динода и при соударении с ним вызывают поток вторичных электронов. Коэффициент вторичной эмиссии может достигать 5−8. Вторичные электроны увлекаются полем второго динода и, достигая его поверхности, ударяются о него, порождая новый, умноженный в 5−8 раз поток вторичных электронов. Затем вторичные электроны захватываются полем третьего динода, ударяются о его поверхность, порождая новый, умноженный поток вторичных электронов… И так далее, и так далее — первичный поток фотоэлектронов переходит от динода к диноду, каждый раз умножаясь в несколько раз — пока многократно умноженный поток электронов не достигнет анода. Число динодов в ФЭУ может доходить до 20, что обеспечивает умножение первичных фотоэлектронов до 10⁹ раз, при этом чувствительность ФЭУ достигает 1000 А/лм.

Если световой поток превышает 10 ° лм, то нарушается линейность работы, а при 10 ^Злм ФЭУ переходит в режим насыщения. «Темповой ток» ФЭУ, находящегося в абсолютной темноте, обусловленный электронами, эмитируемыми самопроизвольно, из-за тепловых флюктуаций с поверхности фотокатода и динодов может доходить до 10 ⁹ А при температуре окружающей среды t = +20*30 °С. При охлаждении баллона ФЭУ до температуры жидкого воздуха (г = -196°С) «темновой ток» может быть уменьшен до 10 ¹² А.

Помимо рассмотренного ФЭУ классической конструкции, имеются и другие виды ФЭУ, например ФЭУ канального типа, умножение фотоэлектронов в которых осуществляется в стеклянной трубке, внутренняя поверхность которой покрыта высокоомным проводящим слоем с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. На приемном торце трубки расположен полупрозрачный фотокатод, работающий «на прострел», эмитирующий фотоэлектроны внутрь трубки под небольшим углом к ее оси.

Между фотокатодом и внутренней поверхностью трубки действует ускоряющее поле, создаваемое за счет подключения внешней батареи с напряжением в несколько десятков вольт. Поэтому фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, ускоряются и попадают на проводящий слой, с которого выбивают поток вторичных электронов. К металлизированным торцам трубки, соединенным с проводящим слоем, подключено весьма высокое напряжение (до тысячи вольт), и протекает ток, вследствие чего внутри трубки создается продольное ускоряющее поле. Вторичные электроны ускоряются этим полем и попадают на противоположную стенку трубки, порождая новый, умноженный во много раз электронный поток, который снова и снова ускоряется, пока многократно усиленным не достигает анода, расположенного на выходном торце трубки. При длине трубки до 5 см коэффициент умножения может достигать нескольких миллионов.

К важнейшим фотоэмиссионным приборам относятся фотоэлектрические преобразователи световых изображений — передающие телевизионные трубки, позволяющие преобразовывать видимые и невидимые (инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские) изображения в электрические сигналы.

Простейшим фотоэлектрическим преобразователем, позволяющим преобразовывать световые изображения в электронные, является иконоскоп, его схематическое устройство приводится на рис. 1.23, в. Световое изображение проектируется на мозаичный фотокатод (который называется «фотомишень»), выполненный в виде изолирующей слю;

Рис. 1.23. Вакуумный фотоэлемент (а), фотоэлектронный умножитель (б) и передающая телевизионная трубка (в).

дяной (керамической, стеклянной и т. д.) пластинки, на внешнюю сторону которой (называемой «сигнальный электрод», основание) наносится слой серебра, а внутренняя сторона, фотомишень, покрывается изолированными друг от друга мельчайшими серебряными зернышками, на которые напыляется цезий.

Таким образом, на внутренней стороне пластинки создается мозаичный фотокатод, составленный из сотен тысяч микроскопических, изолированных друг от друга, элементарных фотокатодов. При этом каждый элементарный фотокатод может рассматриваться как элементарный конденсатор, поскольку каждый элементарный фотокатод (зернышко серебра) отделен от проводящего основания, сигнального электрода, тонким слоем изоляции.

При воздействии света с фотокатодов происходит эмиссия электронов и каждый конденсатор заряжается, причем тем выше, чем больший световой поток на него действует. Так как световое изображение, проектируемое на фотокатод, представляет собой чередование темных и световых областей, на фотокатоде возникает соответствующее чередование областей с большим или меньшим зарядом на элементарных конденсаторах — создается «электронное изображение».

В иконоскопе имеется электронная пушка (состоящая из нагретого катода и электростатической фокусирующей системы), формирующая узкий электронный луч и отклоняющая система, позволяющая перемещать электронный луч, по поверхности мозаичного фотокатода. Движение электронного луча напоминает движение человеческого глаза при чтении книги: вдоль строчки слева направо до конца, затем к началу следующей строчки и т. д. Перемещение электронного луча, но элементарным фотокатодам приводит к поочередному разряду их эквивалентных элементарных конденсаторов. При этом ток разряда, а следовательно, и ток луча пропорциональны освещенности участка мишени, вследствие чего на сопротивлении нагрузки появляется падение напряжения, величина которого пропорциональна освещенности участка мишени, по которой в данный момент проходит электронный луч.

Если это напряжение передать по проводам или по радиоканалу на некоторое заданное расстояние и подать на модулирующий электрод приемной телевизионной трубки — «кинескопа», луч которого движется синхронно с лучом иконоскопа, то на экране кинескопа будет воспроизведено первичное световое изображение.

Иконоскопы позволяют получать телевизионные изображения очень высокой четкости, но имеют сравнительно малую чувствительность, требующую большого освещения передаваемых объектов, и в настоящее время не применяются. Им на смену пришли более совершенные и более чувствительные передающие телевизионные трубки типа диссектора, видикона, плюмбикона и глетикона, которые, в свою очередь, вытесняются матричными твердотельными фотоэлектрическими преобразователями световых изображений, основанными на использовании принципов работы полупроводниковых приборов с зарядовой связью. Принцип работы таких фотоэлектрических преобразователей будет рассмотрен ниже.