Файл: Левитин И.Б. Инфракрасная техника.pdf

цезиевым фотокатодом, спектральная характеристика ко­ торого была приведена на рис. 27. «Световая» характери­ стика ФЭУ является прямолинейной только до определен­ ной энергетической освещенности, зависящей от типа при­ бора.

Примером умножителя такого рода является выпускае­ мый нашей промышленностью ФЭУ-22. Он имеет боковой оптический вход и серебряно-кислородно-цезиевый фото­ катод с размерами 5 X 16 мм2 на металлической пластине. В колбе прибора расположены 13 эмиттеров из алюминиево-

магниевого сплава. Аноды каскадов выведены через боко­ вую стенку колбы. Чувствительность фотокатода состав­ ляет 5 мкА/лм, темновой ток іт = 2 - Ю - 9 А. Характери­ стики зависимости усиления (кривые 1 и 2) и темновых то­ ков іт (кривые 3 и 4) от напряжения U на каскад приведены на рис. 30. ФЭУ-22 отличается хорошей линейностью «све­ товой» характеристики (при £ / р а 6 = 400 В) и хорошей ста­ бильностью (работает до 1000 ч без изменения параметров).

Канальные ФЭУ (с непрерывным динодом) (29, 34, 38). ФЭУ обычных конструкций с разделенными каскадами ум­ ножения (динодами) обладают принципиальным недостат­ ком — рассеянием электронов, ограничивающим усиление. В 60-х годах появились ФЭУ совершенно иной конструк­ ции (впервые предложенные в СССР еще в 1940 г. Г. С. Вильдгрубе), называемые в настоящее время каналь­ ными фотоэлектронными умножителями (КФЭУ).

74

Действие КФЭУ основано на использовании движения испускаемых с фотокатода (в частности серебряно-кисло- родно-цезиевого) электронов с начальными скоростями внутри непрерывного динода — канала, образуемого длин­ ной трубкой. В канале, к концам которого приложено рабочее напряжение, создается равномерное электрическое поле, в котором электроны движутся по многократно по­ вторяющимся периодическим траекториям. При этом ка­ налу придается форма спирали из двух-трех витков (рис. 31), а стенки канала являются эмиттерами, умножающими элек­ троны. Канал изготовляется из восстановленного в водо­ роде свинцового стекла; такое стекло с высоким содержа­ нием РЬО после термообработки в водороде приобретает повышенную поверхностную электропроводность за счет восстановления ионов свинца.

Каналы имеют внутренний диаметр порядка 1,5 мм и длину, превышающую диаметр в 50—60 раз. Сопротивле­ ние каналов между торцами порядка 108 Ом. При рабочем напряжении 2000 В и более достигается усиление 10е—10', причем темновой ток составляет Ю - 9 А.

В настоящее время изготовляются миниатюрные КФЭУ очень малых размеров (например, с колбой диаметром 15 мм, длиной 45 мм и менее и весом 4 — 6,5 г). Фотокатоды в таких КФЭУ устраиваются торцевые или боковые, КФЭУ могут работать при температурах от — 60 до + 70° С и устойчивы при сильных вибрациях и сотрясениях.

Фотогальваномагнитный приемник. Этот приемник яв­ ляется самым длинноволновым и малоинерционным неох-

.лаждаемым фотоэлектрическим приемником. Действие его основано на фотогальваномагнитном эффекте, открытом в 1934 г. советскими учеными И. К- Кикоиным и M. М. Но­ сковым: при помещении кристалла полупроводника в маг­

в нем электронно-дырочные пары в слое, близком к поверх­ ности, на которую падает излучение. В этом слое создается повышенная концентрация носителей и возникает их диф­ фузия от поверхности в глубину полупроводника. Если при этом магнитное поле направлено по нормали к падаю­ щему излучению, то носители разделяются, причем элек­ троны и дырки отклоняются к противоположным концам кристалла; возникает разность потенциалов, пропорцио­ нальная лучистому потоку, падающему на кристалл.

75

Многочисленные конструкции фотогальваномагнитных приемников в общем весьма сходны. Чувствительный эле­ мент представляет собой монокристалл сурьмянистого ин­ дия (InSb), размером около 1—2 мм3 , чрезвычайно тща­ тельно очищенный; кристалл помещается между полюсами постоянного магнита.

Разрез приемника показан на рис. 32. Магнит 1 из сплава альнико имеет полюсные наконечники 2 из мягкого железа (с малым магнитным сопротивлением). Торцы на­ конечников заострены, так что на­ пряженность магнитного поля

ввоздушном зазоре достигает

концов кристалла перпендикулярно направлениям маг­ нитного поля и падающего лучистого потока присоединены выводы. Корпус 4 герметизирован (от попадания влаги, пыли и частиц железа). Излучение падает на чувствитель­ ный элемент через окно 5, прозрачное для инфракрасных излучений в диапазоне чувствительности InSb (тонкая слюда, флюорит, сапфир и т. д.). Основным видом шума приемника является джонсоновский шум сопротивления.

В табл. 16 приведены параметры фотогальваиомагнит­ ного приемника из InSb [26] фирмы «Мидуэй» (США), по­ лученные при частоте модуляции Д1 0 д = 90 Гц. Интег­ ральная чувствительность S и пороговая чувствительность Ф п о р даны для К = 6,2 мкм, соответствующей максимуму спектральной чувствительности.

76

рис. 33 показана принципиальная схема вентильного фо­ тоэлемента. На подложке из металла / (непрозрачный элек­ трод) нанесены возгонкой в вакууме тонкий слой 2 полу­ проводника n-типа, а поверх него слой 3 полупроводника р-типа. Поверх полупроводниковых слоев напылен тон­ чайший слой металла (золота, платины), полупрозрачный для падающего излучения и представляющий собой второй электрод 4.

Между полупроводниковыми слоями 2 и 3 создается р—/г-переход и возникает внутренняя э. д. с. ЕЛ, направ­ ленная от /г-слоя к р-слою. При облучении фотоэлемента поглощенные полупроводником кванты излучения создают вблизи от его поверхности электронно-дырочные пары, концентрация которых вследствие диффузии уменьшается по направлению от облучаемой поверхности к р—п-пере- ходу. Если р—«-переход находится от поверхности на рас­ стоянии, меньшем длины диффузионного смещения, то электронно-дырочные пары будут подходить к р—«-пере­ ходу, где внутреннее поле перехода £ д будет разделять носители. Электроны перейдут в /г-область (как неосновные носители), а дырки останутся в р-области (как основные носители, для которых поле Ер представляет потенциаль-

77

ный барьер). В результате этого накопление свободных электронов в /г-области и свободных дырок в р-области соз­ даст разность потенциалов на электродах приемника, тем большую, чем больше фотонов было поглощено чувстви­ тельной поверхностью, т. е. чем больше ее энергетическая освещенность.

В качестве приемников инфракрасных излучений при­ меняют вентильные сернисто-таллиевые (TIS) фотоэлементы, разработанные Б. Т. Коломийцем, и сернисто-серебряные

вают область применения вентильных фотоэлементов, не­ смотря на их высокую интегральную чувствительность.

Сернисто-серебряные вентильные фотоэлементы выпу­ скаются в нашей стране под марками ФЭСС-У2, ФЭСС-УЗ, ФЭСС-УЮ (цифра обозначает площадь ап -чувствительной поверхности в 1 см2 ). Эти фотоэлементы весьма стабильны и характерны незначительным старением (увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением тока короткого

ход, включенный в последовательную цепь, состоящую из источника запирающего напряжения и нагрузки. При от­ сутствии освещения в цепи протекает темновой ток (обрат­ ный ток запертого диода, вызываемый тепловой диффузией неосновных носителей тока в полупроводнике). При ос-

78