Фототок, свойства, принцип работы

Что такое фототок?

"Фототок — это величина, характеризующая количество света, падающего на поверхность за единицу времени..."

Полезные статьи:

Что такое фотокатод?

Фотометры, виды, принцип работы

Все статьи

Введение

Большинство фотоприемников это фотокатоды, фототранзисторы, фототрубки и фотоумножители. Принцип действия основан на генерации фототока, т.е тока, который возникает в связи с поглащением света. Это может включать в себя несколько иные физические механизмы:

• В фотоприемниках с вакуумной лампой, таких как фототрубки и фотоумножители, используется внешний фотоэлектрический эффект.
• В детекторах на основе полупроводников используется внутренний фотоэлектрический эффект, чаще всего в p-n или p-i-n переходе. Также существуют фотоприемники металл–полупроводник–металл, в которых используется переход Шоттки.

Во многих случаях на поглощенный фотон приходится не более одного фотоэлектрона. Некоторые из генерируемых носителей могут быть потеряны, т. е. не вносить вклад в фототок; это может быть определено количественно с помощью внутренней квантовой эффективности. Общая квантовая эффективность, также учитывающая неполное поглощение в полезной активной области детектора, как правило, будет ниже. Результирующий фототок тогда:

с квантовой эффективностью , зарядом электрона e и энергией фотона hν,. Коэффициент пропорциональности S между фототоком и оптической мощностью называется чувствительностью.

Свойства фототока

Используемое рабочее напряжение часто оказывает лишь слабое влияние на фототок через квантовую эффективность, например, фотодиода. Даже в фотоэлектрическом режиме, т. е. при нулевом напряжении смещения, квантовая эффективность не сильно снижается. Только при некотором прямом напряжении фототок начинает существенно уменьшаться.

Для многих детекторов фототок довольно точно пропорционален падающей оптической интенсивности или мощности в течение нескольких десятилетий, пока насыщение не будет достигнуто на определенном уровне.

В дополнение к фактическим фототока, может быть темновой ток, который не зависит от интенсивности падающего света.

В некоторых типах детекторов используется механизм умножения для получения существенно усиленного фототока. Такие механизмы доступны как для устройств, основанных на внешнем фотоэффекте (фотоумножительные трубки), так и для других устройств, основанных на внутреннем фотоэффекте (лавинные фотодиоды). Для таких устройств к приведенному выше уравнению можно добавить коэффициент умножения. Этот коэффициент умножения может сильно зависеть от рабочего напряжения.

При достаточно высоких оптических интенсивностях, которые могут быть достигнуты с помощью ультракоротких импульсов света, можно получить фототок за счет двухфотонного поглощения, даже если энергия фотонов ниже энергии запрещенной зоны. В этом случае фототок пропорционален квадрату падающей мощности.

Преобразование в напряжение

Фототок часто преобразуется в напряжение, которое пропорционально току. Простейший метод такого преобразования - пропускать фототок через электрическое сопротивление. Этот метод, однако, не идеален, поскольку он вводит компромисс между чувствительностью и полосой пропускания детектора. 

Шум фототока

В идеальном случае фототок проявлял бы шум в точном соответствии с шумом интенсивности падающего света. К этой ситуации вполне можно подойти с помощью некоторых фотодиодов, обладающих высокой квантовой эффективностью; их можно использовать для обнаружения шума интенсивности на уровне шума выстрела и даже ниже (для сжатых состояний света).

Пониженная квантовая эффективность, возникающая, например, в результате неполного поглощения света или внутренней потери носителей, приводит к дополнительному шуму фототока; по сути, это происходит из-за случайной потери некоторых фотоэлектронов. Очевидно, что эта проблема не может быть решена путем умножения фототока, а только с улучшенной квантовой эффективностью.

Эффекты нагрева

Фототок приводит к нагреву фотоприемника. Мощность нагрева равна фототоку, умноженному на приложенное напряжение смещения, в дополнение к мощности, возникающей в результате поглощенного света. При типичных напряжениях смещения, например, 5 В или даже 20 В, нагрев за счет фототока значительно сильнее, чем из-за поглощения света. Таким образом, фототок, возможно, придется ограничить для работы с высоким напряжением смещения. В противном случае фотоприемник может быть поврежден – например, из-за поломки полупроводникового чипа или удаления солдатского соединения.

Определение положения

Фототок от обычного фотоприемника не предоставляет информацию о положении падающего света. Однако существуют позиционно-чувствительные детекторы, в которых измеряются два или более фототока, и распределение тока содержит пространственную информацию.

Позиционно-чувствительные детекторы - это фотоприемники, с помощью которых можно измерить положение светового пятна в одном или двух измерениях, обычно с относительно высокой скоростью.

Упомянутое световое пятно обычно возникает при попадании лазерного луча на детектор. Затем можно точно измерить небольшие отражения такого луча, например. Такие детекторы могут использоваться для контроля выравнивания луча для стабилизации положения лазерного луча (автонастройки). Другое применение - измерение расстояний с помощью триангуляции.

Позиционно-чувствительные детекторы могут быть основаны на различных принципах работы. Такие устройства доступны как отдельные оптоэлектронные компоненты (например, квадрантные фотодиоды), так и в виде комплектных устройств с дополнительной электроникой, корпусом и креплением и т.д. Большинство устройств основаны на фотодиодах или фоторезисторах, но существуют также позиционно-чувствительные фотоумножители.