Фотоэлемент Советский патент 1984 года по МПК H01J40/16 

Изобретение относится к фотоэлек ройным приборам, в частности к быстродействующим импульсным электровакуумным фотоэлементам, и может найти широкое прмменение в технике оптико-физических измерений.

Р1звестен вакуумный фотоэлемент для измерения параметров быстропроткакидих процессов, который имеет коаксиальный вывод L3

Недостатком данного фотоэлемента является относительно низкая чувст вительность.

Одним из важнейших направлений дальнейшего совершенствования фотоэлементов является повьппение чувствительности при сохранении высокого временного разрушения и большого динамического диапазона. Трудность решения этих задач состоит в том, что в быстродействующих фотоэлементах временное разрешение определяется главньм образом междуэлектродной емкостью, поэтому для улучшения временного разрешения обычно приходится уменьшать шюш,адь фотокатода, однако это приводит к уменьшению чувствительности фотоэлементов и максимально достигаемой амплиту ды фототока.

Наиболее близким к предлагаемому является фотоэлемент, содержгщий ва куумную оболочку с входнь м окном, прозрачным для излучения, фотокатод, фокусирующий электрод и коаксиальный вывод с внутренним и внешним электродами С 2.

Недостатком известного гфибора является невозможность достижения повьш1енного временного разрешения. Это объясняется большой индуктивностью вывода полупроводникового диода через контактный проводник малог диаметра, припаянный к вплавленной в полупроводник капельке золота. Кроме того, в известном приборе тру но обеспечить высокую чувствительность,

UeJib изобретения - повышение временного разрешения.

Заказанная цель достигается тем, что в фотоэлементе, содержащем фотокатод, фокусирующий электрод, полупроводниковый анод с р-п-переходом и коаксиальный вывод с внутренним и внешним электродами, анод установлен на торце внутреннего проводника коаксиального вывода так, что п-об ласть г альванически связана с внутренним электродом коаксиального вывдда5а р-область через слой металлизации и ленточнь е проводники гальванически связана с внешним электродом этого вывода.

На чертеже изображен фотоэлемент с полупроводниковым анодом.

Фотоэлемент содержит вакуумную оболочку 1, входное окно 2, фотокатод 3, фoкycиpyюш iй электрод 4, анодньй экран 5, полупроводниковый анод с областями электронной и ды- рочной проводимости, разделенными р-п-переходом 6 и 7, внутренний проводник 8, внешний проводник 9, корпус 10.

Особенностью конструкцией фотоэлемента является расположение полупроводникового анода на торце внутреннего проводника 8 коаксиального вывода так, что область дырочной проводимости через слой металлизации и ленточные проводники гальванически связана с внешним проводником 9, а область электронной проводимости гальванически связана с внутренним проводником 8 коаксиального вывода. Анодный экран 5 р-область полупроводникового анода 6 и металлический корпус 10 ножки электрически связаны между собой и имеют ускоряющий потенциал относительно фотокатода.

В этом случае обеспечивается экранироваьше анода от паразитных : электронов, что способствует уменьше шю шумов и повышению временного разрешения и порога чувствительности фотоэлемента.

Токи утечки между фотокатодом и анодом протекают по цепи вывод фотокатода 3 - корпус 10 ножки, а не по сигнальной цепи между внутренним внешним 9 проводниками коаксиального вывода,

В данном фотоэлементе существует возможность одновременного достижения высокого временного разрешения и повьш1енной чувствительности . В вакуумных фотоэлементах обычной конструкции чувствительность не может быть Bfamie чувствительности фотокатода. В данном случае за счет эффекта усиления тока в полупроводниковом аноде чувствительность фотоэлемента в 10 - 10 раз вьше чувствительности фотокатода. В вакуумных фотоэлементах обычной конструкции временное разрешение при площади фотокатодд более 1 см , определяется постоянно времени анодной цепи и составляет порядок наносекунды. В предлагаемой конструкции даже при увеличении шю щади фотокатода до нескольких см временное разрешение определяется собственной инерционностью полупроводникового анода, так как с ростом площади фотокатода паразитная емкость на выходе, в цепи формирования сигнала остается неизменной, а разброс фотоэлектронов по временам пролета при ускоряющих напряжениях Ю В составляет порядка и может не учитываться. Однако в фо тоэлементе необходимо выбирать масштаб переноса размеров сечения электронного потока от фотокатода к аноду меньше единицы М 1 , чтобы не потерять электроны сигнала и не снизить сигнал/шум. Фотоэлемент работает следующим о разом . Поток падающего излучения через входное окно 2 попадает в вакуумную оболочку 1 и вызывает фотоэмиссию электронов из фотокатода 3. Фокусирующий электрод 4 и ускоряюш 1Й анодный экран 5 образуют электронно-оптическую систему переноса электронного потока с Ш1ош,ади фотокатода входную площадку полупроводникового анода 6. Попадание на полупроводниковый анод электронов с энергиями порядка 10 эВ вызывает ионизацию атомов и появление электронно-дырочных пар При энергии ио1мзации полупроводник вого материала (например, кремния) около 3,5 эВ (с учетом потерь) обес печивается усиление фототока в iO 10 раз. Временное разрешение фотоэлемент с полупроводниковым анодом определяется емкостью перехода, сопротивлени ем нагрузки и временем дрейфа носителей. Для достижения временного разрешения фотоэлемента . порядка 10с при измерении параметров быстропротекающих процессов , длительность которых cocTaBJtHeT 10 с и более, необходимо обеспечить полосу пропускания анодного узла, по крайней мере в области частот от сотен килогерц до сотен мегагерц. В этом случае главной задачей является обеспечение работы полупроводникового анода как широкополосного усилителя тока. Для обеспечения условий неискаженного широкополосного усиления тока полупроводниковый анодный узел выполнен в виде согласованной коаксиальной системы, установленной внутри анодного экрана, являющегося одновременно ускоряющим электродом фокусирующей бескроссоверной электронно-оптической системы с масштабом переноса IK1 . Такая конструкция исключает образование свободных носителей тока вне рабочей зоны, появлерл-1е которых значительно уменьшает полосу пропускаеьд 1х частот в области 250-500 МГц. Расположение полупроводникового анода на внутреннем проводнике коаксиального вывода с помощью переходного метшишческого стакана обеспечивает условия возбу;«дения и передачи ТЕМ-злектромагнитной волны в коаксиалшном тракте ста1здартного сечения н обеспечивает высокую технологичность конструкции. Б частности, такая конструкция обеспечивает возможность предварительной проверки поверхностных токов утечки, диффузкоиного тока неосновных носителей и других технологических параметров полупроводникового анода, определяющих в дальнейшем заданный уровень темповых п шумовых токов, порог чувствительности и динамический диапаг-юи фотоэлемента, Применение предлагаемого фотоэлемента по сравнению с обычными конструкциями позволяет осуществить повышешге чувствительности в 10 раз, асширеш-1е дннаьшческого диапазона о 60-70 дБ. постижение време;-;,ного разрешения 10 -10 с,наличие pa6o ieu площади фотокатода более 1 су/лтри улучшенной равномерности зонной чувствытелльностн,

ФОТОЭЛЕМЕНТ, содержащий фотокатод, фокусирующий электрод. полупроводниковый анод с р-п-переходом и коаксиальный вывод с внутренним и внешним электродами, отличающийся тем, что, с целью повьппения временного разрешения, анод установлен на торце внутреннего проводника коаксиального вывода, при этом его п-область гальванически связана с внутренним электродом коаксиального вйвода, а р-о6ласть через слой металлизации и ленточные проводники гальванически связана с внешним электродом этого вывода. 01IsD