Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление электронного потока осуществляется при помощи системы дискретных динодов – электродов корытообразной, коробчатой или жалюзийной формы с линейным (см. рис. ) либо (реже) круговым расположением, обладающих коэффициентом вторичной эмиссии s > 1. В таких ФЭУ для ускорения и фокусировки электронов катодной камере (собирающей электроны, вылетевшие с фотокатода, в пучок и направляющей этот пучок на вход динодной системы), динодам и аноду сообщают определенные потенциалы относительно фотокатода при помощи высоковольтного источника (напряжением 600–3000 в ). Кроме электростатической фокусировки, в ФЭУ иногда применяют магнитную фокусировку и фокусировку в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Существуют также ФЭУ с умножительной системой, представляющей собой непрерывный (распределённый) динод – одноканальный, в виде трубки (канала) с активным (s > 1) слоем на её внутренней поверхности, обладающим распределённым электрическим сопротивлением, либо многоканальный, выполненный из т. н. микроканальной пластины. При подключении канала к источнику высокого напряжения в нём создаётся электрическое поле, ускоряющее вторичные электроны, которые многократно соударяются с внутренними стенками канала, вызывая при каждом столкновении вторичную электронную эмиссию с поверхности активного слоя.
Фотокатоды ФЭУ выполняют из полупроводников на основе соединений элементов I или III группы периодической системы Менделеева с элементами V группы (Css Sb, GaAs и др.). Полупрозрачные фотокатоды обычно наносят на внутреннюю поверхность входного окна стеклянного баллона ФЭУ. Для изготовления дискретных динодов используют следующие материалы: Cs3 Sb, наносимый в виде слоя на металлическую подложку; сплавы CuBe, CuAlMg; эпитаксиальные слои GaP на Mo, обработанные O2 (см. Эпитаксия ) и др. Каналы непрерывных динодов изготавливают из стекла с высоким содержанием свинца (такие каналы после термообработки в H2 имеют удельное сопротивление поверхностного слоя 107 –010 ом ×м ).
Основные параметры ФЭУ: световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1–104а/лм; спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 103 –108 ); темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10-9 –10-10а.
Наибольшее применение ФЭУ получили в ядерной физике (спектрометрические ФЭУ; см. Сцинтилляционный счётчик ) и в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ). ФЭУ используют также в оптической аппаратуре, устройствах телевизионной и лазерной техники.
В 60-х гг. разработаны ФЭУ, в которых усиление фототока осуществляется бомбардировкой полупроводникового кристалла с электронно-дырочным переходом электронами с энергиями, достаточными для образования в кристалле парных зарядов электрон – дырка (такие ФЭУ называются гибридными).
Лит.: Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, М., 1976.
В. А. Гаванин.
Структурные схемы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с линейными динодными системами: а — с корытообразными динодами; б — с жалюзийными динодами; Ф — световой поток; К — фотокатод; В — фокусирующие электроды катодной (входной) камеры; Э — диноды; А — анод; штрихпунктирными линиями изображены траектории электронов.
Фотоэлектроны
Фотоэлектро'ны, электроны, эмитированные атомом, молекулой или конденсированной средой под действием квантов электромагнитного излучения – фотонов (см. Фотоэлектронная эмиссия ), а также электроны в конденсированной среде, поглотившие фотоны и обладающие вследствие этого повышенной (относительно равновесной) энергией (см. Фотоэффект внутренний , Фотопроводимость ).
Фотоэлемент
Фотоэлеме'нт, электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (фотоэдс ) или электрический ток (фототок). Действие Ф. основывается на фотоэлектронной эмиссии или фотоэффекте внутреннем .
Ф., действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой (рис., а ) электровакуумный прибор с 2 электродами – фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. В газонаполненных Ф. в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены Ф. с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.
Ф., действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, – полупроводниковый прибор с гомогенным электронно-дырочным переходом (р–n -переходом) (рис. , б), полупроводниковым гетеропереходом или контактом металл-полупроводник (см. Шотки диод ). Поглощение оптического излучения в таких Ф. приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника . Под действием электрического поля перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (например, в Ф. с р–n -переходом электроны накапливаются в n -oбласти, а дырки – в р -области), в результате между слоями возникает фотоэдс; при замыкании внешней цепи Ф. через нагрузку начинает протекать электрический ток. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Ф., служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.
Ф. обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света (полупроводниковые Ф. в этом случае нередко отождествляют с фотодиодами ); полупроводниковые Ф. используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях , фотоэлектрических генераторах .
Основные параметры и характеристики Ф. 1) Интегральная чувствительность (ИЧ) – отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у вакуумных Ф.) или при короткозамкнутых выводах (у полупроводниковых Ф.). Для определения ИЧ используют, как правило, эталонные источники света (например, лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой температуры нити, обычно равным 2840 К). Так, у вакуумных Ф. (с сурьмяно-цезиевым катодом) ИЧ составляет около 150 мка/лм, у селеновых – 600–700 мка/лм, у германиевых – 3×104мка/лм. 2) Спектральная чувствительность – величина, определяющая диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный Ф. Так, у вакуумных Ф. с сурьмяно-цезиевым катодом этот диапазон составляет 0,2–0,7 мкм, у кремниевых – 0,4–1,1 мкм, у германиевых – 0,5–2,0 мкм. 3) Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от напряжения на Ф. при постоянном значении светового потока; позволяет определить оптимальный рабочий режим Ф. Например, у вакуумных Ф. рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в которой фототок практически не меняется с ростом напряжения). Значения фототока (вырабатываемого, например, кремниевым Ф., освещаемым лампой накаливания) могут при оптимальной нагрузке достигать (в расчёте на 1 см2 освещаемой поверхности) несколько десятков ма (для кремниевых Ф., освещаемых лампой накаливания), а фотоэдс – нескольких сотен мв. 4) Кпд, или коэффициент преобразования солнечного излучения (для полупроводниковых Ф., используемых в качестве преобразователей энергии), – отношение электрической мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке к падающей световой мощности. У лучших образцов Ф. кпд достигает 15–18%.