1.3. Оптоэлектронные приборы
Фотоэлектронными
называются приборы, преобразующие
энергию оптического излучения в
электрическую. В спектре длин волн
оптического излучения для фотоэлектронных
приборов в основном используются
ультрафиолетовые излучения (диапазон
длин волн
),
видимое (
)
и инфракрасное (
).
Работа
фотоэлектронных приборов основана на
явлениях внутреннего и внешнего
фотоэффектов. Внутренний фотоэффект,
используемый в основном в полупроводниковых
фотоэлектронных приборах, заключается
в том, что под действием лучистой энергии
оптического излучения электроны получают
дополнительную энергию для их освобождения
от межатомных связей и перехода из
валентной зоны в зону проводимости, в
результате чего электропроводимость
полупроводника существенно возрастает.
При этом, согласно теории Эйнштейна,
энергия световых квантов (фотонов)
оптического излучения
должна превышать ширину запрещенной
зоны
полупроводника.
(36)
Следовательно,
фотоэффект возможен только при воздействии
на полупроводник излучения с длиной
волны
,
меньшей некоторого граничного значения,
называемого «красной границей».
(37)
где 
–
длинноволновая граница спектральной
чувствительности материала, мкм;
с
– скорость света (
)
в вакууме; 
– постоянная Планка; 
– ширина запрещенной зоны (рис.3),
ограниченная краями энергетических
зон ЗП, ВЗ, в электрон-вольтах (эВ).
Значения
ширины
и граничной (максимальной длины волны,
при которой еще возможен фотоэффект,
приведены в таблице 1.
Таблица 1
Полупроводник |
, эВ |
, мкм |
Ga, P Cd, Te Ga, As Si Ge |
2,24 1,6 1,41 1,12 0,72 |
0,55 0,77 0,88 1,1 1,72 |
Следует
отметить, что возможности фотоэлектронных
приборов могут расширяться при воздействии
энергии разнообразных источников
излучения. Такими источниками могут
быть как источники фотонов (солнечная
энергия,
-излучение,
рентгеновское излучение), так и источники
частиц с высокой энергией (электронная
пушка,
-излучение,
-частицы,
протоны и др.) [19].
В настоящее время на основе внутреннего фотоэффекта разработано большое количество полупроводниковых фотоприборов: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, светодиоды, фототиристоры, оптроны, фотоемкости, фотоваристоры и т. д.
Внешний
фотоэффект также широко используется
в других фотоэлектронных приборах,
относящихся к группе фотоэмиссионных.
Этот эффект заключается в том, что
энергия фотона
расходуется на преодоление работы
выхода
из вещества и приобретение электроном
кинетической энергии и, согласно
упомянутой теории Эйнштейна, определяется
следующей формулой:
(38)
где 
(эВ) – работа выхода электронов из
материала вещества;
– заряд электрона;
– масса электрона;
– скорость электрона, вылетевшего за
пределы поверхности вещества;
– разность потенциалов внешнего
источника ускоряющего поля (потенциал
выхода), В.
Полагая
,
находим упомянутую «красную границу»,
зависящую от работы выхода электрона:
(39)
где
выражена в нм, а
- в эВ.
Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) используется в основном в вакуумных фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), а также в передающих телевизионных трубках (супериконоскоп, суперортикон и др.).
Рис. 31. Устройство (а) и условное графическое обозначение (б) вакуумного фотоэлемента
В вакуумном фотоэлементе (рис.31) под действием света происходит эмиссия электронов из фотокатода в вакуум, а в ФЭУ достигается усиление первичного фототока за счет вторичной электронной эмиссии. В этом приборе (рис. 32,б) потенциал анода выбирается больше потенциала второго эмиттера, который, в свою очередь, превышает потенциал Э1.
Рис. 32. Фотоэлемент (а) и ФЭУ (б): схемы включения; ФК – фотокатод; А – анод; Э1 и Э2 – эмиттеры вторичных электронов
Фотоэмиссия
может иметь место в любом веществе,
обладающем минимальной
.
Для фотокатодов среди металлов чаще
других используется цезий с минимальной
работой выхода
и граничной длиной волны
[18]. ФЭУ, обладая высоким быстродействием
и низким порогом чувствительности,
хорошо зарекомендовал себя в системах
атмосферной оптической связи видимого
диапазона.
Дадим краткую характеристику основных полупроводниковых фотоприборов, применяемых в информационно-измерительной технике и промышленной электронике, условно-графические обозначения которых представлены на рис. 33.
Рис. 33. Условные графические обозначения основных фотоэлектронных приборов: а – фоторезистор; б – фотодиод; в – диодный фототиристор; г – фототриод; д – солнечный фотоэлемент; е – солнечная фотобатарея; ж – светодиод; з – диодный оптрон;
и – тиристорный оптрон; к – резисторный оптрон