Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
<г4епл> = AkTRAf.
(8.55)
Р <-исигн'>/(<^идр-> ^ <-итепл>) •
(8.56)
441
темновым, подчеркивая тем самым, что его возникновение не связано с освещением катода.
Темновой ток можно замерить при отсутствии сигнала и скомпенсировать обычным методом. Но флуктуации темнового тока создают дополнительные шумы и этим тоже ограничивается чувствительность измерения фототока. Для некоторых фотоумножителей уменьшение флуктуаций темнового тока играет основную роль в обеспечении высокой чувствительности фотоэлектрических измерений, что достигается ограничением размеров фотокатода и его охлаждением.
Проведенное рассмотрение природы шумов может быть отнесено как к фотоэлементам, так и к фотоумножителям. Но ряд дополнительных характеристик (в частности, стабильность усиления и возможность исключить влияние внешних полей) определяют преимущества использования фотоумножителей, обусловившие их широкое распространение при решении различных научных и технических задач.
Существенные трудности возникают при использовании фотоумножителей в инфракрасной области спектра. Как уже указывалось, наличие красной границы фотоэффекта делает в этом случае невозможным применение фотокатодов, прекрасно работающих в видимой и ультрафиолетовой областях. Для измерений в инфракрасной области используют фотодиоды, механизм действия которых основан на внутреннем фотоэффекте.
Фотодиод представляет собой полупроводниковую пластинку, внутри которой имеются области электронной (я-область) и дырочной (p-область) проводимости, разделенные электронно-дырочным переходом. На рис. 8.22 изображены две возможные принципиальные схемы фотодиода.
1ф
8.22. Две принципиальные схемы фотодиодов (а и б):
1 — р-П~переход; 2 — контакты Р- и П-областей; 3 — выводы; 4 — световой пучок
8.23. Спектральные характеристики фотодиодов:
1 — кремниевого; 2 — германиевого
442
Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в нем образуются пары «~р-носителей (электрон— дырка). Неосновные носители (дырки в полупроводнике я-типа и электроны в р-полупроводнике) диффундируют в область л-р-перехода, втягиваются в него и образуют пространственный заряд по другую сторону перехода. Таким образом, происходит накопление носителей тока разных знаков в двух противоположных частях полупроводника. Однако этот процесс не может продолжаться сколь угодно долго, так как в результате накопления зарядов возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшим переходам. Таким образом, наступает динамическое равновесие между переходами электронов (дырок) в одну и другую сторону. В результате образуется постоянная разность потенциалов (фото-э.д.с.), не превышающая ширины запрещенной зоны в полупроводнике, выраженной в вольтах.
Фотодиод может работать в двух различных режимах: с внешним источником напряжения и без него. Для измерительных целей обычно включается внешняя разность потенциалов. Для генерации электрической энергии (например, в солнечных батареях) используют полупроводниковые устройства без внешней
э. д. с., работающие в так называемом вентильном режиме.
Величина фото-э.д.с. существенно зависит от свойств используемого полупроводника и технологии изготовления. Для уменьшения флуктуаций темнового тока полезно охлаждение устройства. Широкое распространение получили германиевые и кремниевые фотодиоды. На рис. 8.23 приведены спектральные характеристики таких приемников света. Как видно, максимальная чувствительность германиевого фотодиода наблюдается в такой области длин волн (^макс ~ мкм), где использование фотоумножителей практически уже невозможно.
В заключение этого краткого обзора фотоэлектрических приемников упомянем о возможности преобразования невидимого излучения (инфракрасные и ультрафиолетовые лучи) в видимое, что может быть осуществлено с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП), который также способен выполнять функции усилителя света. Схема действия этого прибора представлена на рис. 8.24. На фотокатоде происходит преобразование оптического изображения в электронное. Затем электронные пучки от разных частей фотокатода фокусируются и попадают на флуоресцирующий экран, где происходит визуализация изображения . Качество изображения не очень хорошее, так как аберрации электронных пучков, как правило, больше оптических, но все же современные устройства подобного типа имеют в центре картины разрешающую способность порядка нескольких десятков линий на миллиметр, что близко к возможностям обычной фотографической пластинки.
443
8.24. Принципиальная схема ЭОП с электрической фокусировкой:
1 —- фотокатод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод; 4 — люминесцирующий слой
Электронные пучки легко модулировать, поэтому электронный преобразователь может быть использован в качестве модулятора или оптического затвора, менее инерционного, чем даже ячейка Керра. Работает такой затвор с малыми энергетическими потерями, а часто даже с усилением потока электронов. Следует иметь в виду, что описываемое устройство не является чисто оптической системой — электронные пучки можно усиливать различными способами, поэтому яркость на выходе электронного преобразователя может заметно превосходить яркость оптического изображения на его входе. Современные ЭОП с сурьмяноцезиевым фотокатодом позволяют увеличивать яркость изображения в 20 раз. При некотором усложнении электронной схемы может быть проведена временная развертка исследуемых сигналов. При этом временное разрешение достигает значений 10-14 с. Надо думать, что приборы подобного типа в ближайшем будущем будут широко использовать в научном эксперименте и при решении различных технических задач.
