Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

При отсутствии ИК-нзлучеиия (сигнала) пучки света от лампы 15, про­

шедшие через прозрачные участки решетки, отразившись от зеркальной по­

ности от длины волны принимаемого излу­ чения. Главный недостаток приемника заключается в его конструктивной сложности и хрупкости.

4.Пироэлектрические приемники (ПЭП)

Впоследние годы начал применяться новый тип теплового песелективного приемника ИК-излученич — пироэлектрический. Хотя пироэлектрический эффект в кристаллах сегнетовой соли и турмалина был описан еще в 1938 г., до последнего времени этот эффект не использовался в приемниках ИК-излучения.

Из физики известно, что при тепловом воздействии на кри­ сталл сегиетоэлектрика на его поверхности появляются электри­ ческие заряды. Кристаллы сегнетоэлектриков, в которых заряды возникают под воздействием тепловой радиации, получили назва­ ние пироэлектрических.

ПЭП (рис. 4.8, а) состоит из пироэлектрического кристалла 2 с поглощающим ИК-излучеиие покрытием 1, электродов 3 и под­ ложки 4. При попадании теплового потока на поглощающее по­ крытие происходит нагрев пироэлектрического кристалла, вслед­ ствие чего на его поверхностях (электродах 3) появляются элект­ рические заряды. Эти заряды вызывают в цепи нагрузки Rn (см. рис. 4.8, б) электрический ток. ПЭП не требует источника пита­ ния, что является большим достоинством этого приемника. Осо­

105

бенность ПЭП состоит еще и в том, что пироэлектрический ток возникает при изменении скорости прироста АТ температуры нагрева приемного элемента, чем и объясняется малая инерци­ онность тпэп пироприемника по сравнению с другими тепловы­ ми приемниками. Тпэп = 10-5-М0~7 с. Вторым достоинством ПЭП

Рис. 4.8. Устройство пироэлектрического приемника:

является независимость порога чувствительности от величины приемной площадки. С помощью ПЭП можно регистрировать температурные изменения 10~7—10~8°С при чувствительности 20 В/0 С. Чувствительность термоэлементов составляет —ЗХ Х1СН В/3 С, следовательно, ПЭП в 105 раз чувствительнее тер­ моэлементов. Эти достоинства и вызвали в последнее время ин­ терес к пироэлектрическим приемникам излучения. На рис. 4.9 приведены спектральная и частотная характеристики ПЭП.

§ 4.3. ФОТОЭФФЕКТ. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО И ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТОВ

Как уже отмечалось в гл. III, при поглощении энергии излу­ чения электроны возбуждаются и переходят из основного состоя­ ния в возбужденное. При этом длина волны поглощаемого излу­ чения зависит от физических свойств элемента.

Явление возбуокдения электронов под воздействием лучистой энергии называется фотоэлектрическим эффектом (фотоэффек­ том).

Возбужденные квантами излучения электроны называют фо­ тоэлектронами. Если фотоэлектроны при облучении остаются в веществе, участвуя в токе проводимости, то фотоэффект назы­ вается внутренним, или эффектом фотопроводимости. Если же фотоэлектроны не только возбуждаются, но и покидают вещест­ во, то возникает внешний фотоэффект; внешний фотоэффект со­ провождается фотоэлектронной эмиссией.

106

Внутренний фотоэффект наблюдается в чистых и примесных полупроводниковых материалах (кремнии, германии, кадмии, тел­ луре и т. д.). Внешний фотоэффект возникает в металлах и их соединениях (литии, натрии, калии, цезии, серебре и др.).

Рис. 4.9. Спектральная (а) и частотная (б) характеристики ПЭП

Соответственно этим двум видам фотоэффекта делят н при­ емники ИК-излучения: с внутренним фотоэффектом и с внешним фотоэффектом.

1. Соотношения внутреннего фотоэффекта

Схема приемника с внутренним фотоэффектом показана на рис. 4.10. Если полупроводник ПП поместить между двумя элект­ родами А и К, к которым подведено напряжение питания U, то при облучении его (время А) лучистым потоком Ф происходит следующее. Поглощая лучистую энергию, электроны возбужда­ ются, переходят в зону проводимости и под воздействием поло­ жительного потенциала начинают перемещаться к электроду .4 (аноду), создавая ток проводимости или фототок г'ф.* Величина фототока и напряжения определяется зависимостями

(4. 10')

где 5 — интегральная чувствительность, выраженная в мкА/лм для фототока 1ф и в В/Вт для напряжения Нф; поток Ф при­ нимается в лм для 1ф и в Вт — для £/ф. В соотношениях (4.10)

107

/i>0, но меньше единицы. Для практических расчетов прибли­ женно можно принимать и л 0,5.

ф

Рис. 4.10. Схема приемника с внутренним фотоэффектом (а) и

график изменения фототока при прерывистом облучении (б):

Л—время облучения; /;—время затемнения

На внутреннем фотоэффекте основаны такие приемники ИКнзлучения, как фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды, уст­ ройство и характеристики которых будут рассмотрены ниже.

2. Соотношения внешнего фотоэффекта

При внешнем фотоэффекте возбужденный электрон должен за­ тратить часть своей энергии на преодоление потенциального барьера на границе металла, чтобы оторваться от его поверх­ ности. Энергия, необходимая для перемещения электрона из точки с потенциалом £Д в точку с более высоким потенциалом U2, равна

вылета возбужденного электрона из металла, на­ зывается работой выхода.

Оставшаяся часть энергии возбужденного электрона (фото­ электрона) переходит в кинетическую энергию движения mu2j2, где v — скорость движения электрона.

Таким образом, энергия падающего фотона излучения расхо­ дуется на работу вырывания электрона и сообщение ему допол­ нительной кинетической энергии:

108

14. 12)

Из уравнения (4.12) следует, что максимальная энергия вы­ летающих из металла электронов пропорциональна частоте из­ лучения и не зависит от величины падающего потока.

Если энергия падающего фотона h x равна пли меньше рабо­ ты выхода, т. е. Нх-<^ец>о, то электрон не вылетит из вещества и внешнего фотоэффекта не будет. Этому условию соответствует минимальная частота v0. Длина волны /.о. соответствующая ча­ стоте vo, называется длинноволновой границей фотоэффекта.

Подставив в уравнение (4.12) v = 0, получим, что hv — eср0 или

Л-f- = <?Л„ откуда Ло

*<Ро

Из формулы (4.13) следует, что для увеличения длинновол­ новой границы чувствительности необходимо уменьшать работу выхода ср0 вещества, которое служит источником фотоэлектронов. Такими веществами являются соединения некоторых щелочных металлов, таких, как цезий, калий, натрий. На основе этих ме­ таллов и их соединений создаются фотокатоды, являющиеся ис­ точником фотоэлектронной эмиссии. Однако при облучении не все поглощенные фотоны падающего излучения освобождают эле­ ктроны. Поэтому вводят понятие квантовой эффективности или квантового выхода вещества. Квантовым выходом вещества на­ зывается отношение числа квантов (фотонов), вызывающих обра­ зование фотоэлектронов пф, к общему числу поглощенных кван­ тов излучения п, т. е.

Если каждому поглощенному кванту излучения соответству­ ет один фотоэлектрон, то фототок 1ф= епф.

При некотором постоянном потоке Ф число поглощенных

квантов п за единицу времени будет /г= —, гДе hx — энергия од­

ного кванта.

Подставив это значение в формулу (4.14), получим, что

Ф

пФ= :->]// = Ц --- . hx

Зная /2ф, легко найти значение фототока

(4. 15)

109

где /ф выражается в А;

е — заряд электрона (1,6-10-19 К );

h — постоянная Планка (6,625-10-34 Вт-с2); Ф — поток в Вт.

На использовании внешнего фотоэффекта основана работа фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, электронно-опти­ ческих преобразователен и телевизионных передающих трубок.

§4.4. ПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

1.Принцип действия и устройство

Вприемниках с внутренним фотоэффектом используют три основных явления, вызываемых излучением: фотопроводимость, фотогальванический и фотомагнитоэлектрпческий эффекты.

Наиболее широко в приборах ИК-техники используется явле­ ние фотопроводимости. На этом явлении основана работа при­ емников, получивших название фоторезнсторов, а также фотодио­

дов и фототрнодов (фототранзпсторов).

ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Фоторезисторы — это полупроводниковые приемники лучи­ стой энергии, изменяющие свою проводимость (сопротивление) при воздействии лучистого потока.

Для возникновения фотопроводимости энергия фотонов е (энергия возбуждения) принимаемого излучения должна быть больше ширины запрещенной зоны Ае материала полупроводни­ ка.* Математически это условие можно записать в виде

выразить в электрон-вольтах,

По формуле (4.17) всегда можно определить границу чувст­ вительности фоторезистора, взяв из справочника по полупровод­ никовым материалам значение Дв. Например, если необходимо использовать чисто германиевый приемник, то этим приемником можно фиксировать излучение с длиной волны до ?„о=1,5 мкм,

ПО