Фотоэлементы с внешним фотоэффектом - это вакуумные и газонаполненные, фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов за1У1ючаетсп в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Электрон может покинуть катод, лишь если энергия фотона больше работы выхода, т. е. hclK А, где h - постоянная Планка. Значение А зависит от химической природы и состояния поверхности. Таким образом, для каждого типа фотокатода существует длинноволновая, или красная, граница спектральной чувствительности, определяемая длиной волны Х,, = A/{hc).

Спектральные характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов и фотоумножителей целиком определяются свойствами фотокатодов. На рис. 12-11, а

% ЮО

мкА 15 10 5

0,4 0,6

приведеггы такие характеристики для наиболее распространенных серебря-нокислородноцезиевого (кривая )), су-рьмяноцезиевого (кривая 2) и миогоще-лочного (кривая 5) фотокатодов.

Вакуумные фотоэлементы выполняются в виде сферических стеклянных баллонов, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий фотокатод. Аиод выполняется в виде

О 50 100 150 200 250 В

50 100 150 200 250 В Рис. 12-11 ,

кольца или сетки из никелевой проволоки. На рис. 12-11, б приведены вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента.

Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно, так как определяется в основном временем фотоэмнссии (около Ю"* с) и временем пролета электронов (около Ю-" с). Однако при использовании фотоэлементов приходится ориентироваться на значительно большую инерционность цепи, определяемую внутренним сопротивлением и емкостью фотоэлемента, а также сопротивлением и емкостью подключаемых к нему внешних цепей.

При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать ток, текущий через фотоэлемент, когда ои затемнен. Основными составляющими темдювого тока фотоэлемента является ток термоэлектронной эмиссии с катода (около 10" А) и ток утечки между электродами (Ю"!"-10~ А).

Освещенность фотокатода при длительной работе должна быть такой, чтобы ток фотоэмиссии не превышал 1 мкА на 1 см поверхности катода (£ 1№ лк). Таким образом, выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микроампер.

Характеристики вакуумных фотоэлементов приведены в табл. 12-6. В спектральном диапазоне указана длина волны, соответствующая максимальной чувствительности.

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие токов от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами Ne, Аг, Кг, Хе фотоэлектроны, движущиеся к аноду, сталкиваю1-ся с молекулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду двигается нарастающая лавина электронов, а к катоду - лавина положительно заряженных ионов.

Таблица 12-6

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления и может достигать 6-7. Соответственно этому чувсавительносаъ газовых фотоэлементов составляет 5ф = 100 -i- 250 мкА/лм (табл. 12-6). Из приведенных на рис. 12-11, в вольт-амперных характеристик следует, что чувстеительность газовых фотоэлементов весьма сильно зависит от напряження питания, которое должно сааби-лизироваться и не превышать 7,% 100-240 В, ибо выше эшх зна- сО чений начинается область самостоятельного разряда.

В газовых фотоэлементах максимальная амплитуда фо70-тока достигаеах:я лишь через некоторое время после начала освещения (по мере развития газового разряда). Поэтому газовые фотоэлемента применяются для регис1рации световых потоков с частотами не выше нескольких сотеи герц.

Фотоумножители. В фотоумножителях для усиления первичного фототока используется вторичная электронная эмиссия. Для этого в фотоумножителях (рис. 12-11, г), помимо фотокатода/Си анода .4, вводятся вторичные катоды (эмиттеры) Э и системы фокусировки электронного пучка. Коэффициент вторичной эмиссии может составлять 2,5-4. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях достигает сотен тысяч. Выходной ток фотоумножителей может достига1ь 1 мЛ.

Явление вторичной электронной эмиссии практически безынерционно, поэтому фотоумножители, как и вакуумные фотоэлемента, могут использоваться для реги-сэрацин весьма быстро протекающих процессов. Параммры некоторых фотоумножителей приведены в качесаъе примера в табл. 12-6.

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внуареннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов представлены на рис. 12-12 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов. Кривая / характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 - из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 5 - из поликристаллов сернистого кадмия (тип ФС-К) и кривая - из монокристаллов сернистого кадмия (тип

1,0 1,4 Рнс. 12-12

ФС-КМ). Фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления под действием света п = /?темн ?£==200 лк которая для различных типов фоторезисте-" ров лежит в пределах 1,2-10.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допустимых мощностей рассеяния. Световая характеристика фоторезистора линейна только при малых уровнях светового потока, практически до освещенностей 200-300 лк. Постоянные времени фоторезисторов составляют 10"-10"? с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяется дрейфом темпового сопротивления и шумами различных видов. Дисперсия теплового и дробового шумов определяется соответственно формулами: и?епл= 4kTRtf и идроб = 2 e(oi?Af, где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Af - полоса частот; е - заряд электрона; (о - среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида i/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле иш.и = = AfRAf/f, где И = 10""lOi - постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник. Общая флуктуация (для йары тепловой источник - приемник), определяющая дисперсию, равна = StkaS&f (Т- + Т), где е - коэффициент поглощения чувствитель-

ного слоя приемника; о - постоянная Стефана - Больцмана; S - площадь чувствительного слоя приемника; Т, Т„ - абсолютная температура источника и приемника соответственно.

Характеристики фоторезисторов (темповое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темповое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени т увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от -60 до -ЬбО °С. Характеристики некоторых фоторезисторов приведены в табл. 12-7.

Таблица 12-7

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, кольцевой формы и т. д. Конструкция фоторезистора ФСК-1 показана на рис. 12-13, а. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциальный фоторезистор типа ФСК-7А изображен на рис. 12-13, б. Позиционно-чувстви-