Где используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фото-эффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.
В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ.
Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис.15-а. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде небольшого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоколем 4. В нижней части цоколя находятся контактные штырьки 5, к которым подводятся соединительные провода от фотокатода и анода. При помощи этих штырьков фотоэлемент вставляется в фотоэлементную панель.
Для работы фотоэлемента к его аноду и катоду подключают источник электрической энергии — батарею. Анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом источника электрической энергии. Под действием подведенного к электродам фотоэлемента напряжения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в цепи отношением величины фототока (в мка или зла), получаемого в цепи анода электрический ток.

Рис.15 Фотоэлемент с внешним фотоэффектом
Для увеличения чувствительности фотоэлементов внутрь колбы иногда вводят небольшое количество газа, чаще всего аргона. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Величина чувствительности фотоэлемента различных типов колеблется от 20 до 150 мка/лм.
Для практического использования фотоэлементов важное значение имеет его вольт-амперная характеристика (рис.15-б). Она выражает зависимость фототока от величины приложенного напряжения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего фотокатод.
Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляется сотнями мегом, а газонаполненных — несколькими десятками мегом.
Фотоэлементы широко используются в фотореле. Обычно фотореле представляет собой сочетание фотоэлемента и электромагнитного реле. Когда фотосопротивление затемнено, сила тока в его цепи очень мала вследствие того, что в темноте фотосопротивление обладает большим сопротивлением (107—108 ом).

(11 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Добавить комментарий Отменить ответ

Помощь студентам

Контрольные по предметам

Без рубрики (1)
Борьба за живучесть и безопасность жизнедеятельности (31)
Военно-морская подготовка (19)
Высшая математика (2)
Геодезия (11)
Гидроаккустические приборы и системы (27)
Гидрометеорология (12)
История (4)
Книги и пособия (51)
- Технические регламенты (20)
- Контрольные, курсовые и задачи по астрономии с решением и примерами (27)
- Контрольные, курсовые и задачи по навигации и лоции с решением (18)
- Контрольные и задачи по теории и устройству судна с решением (63)
Новые готовые работы
- Назначение и схемы эжектора
- Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом
- Скорость звука. Скорость распространения звука в воздухе.
- УКВ. Что такое УКВ диапазон. Особенности распространения радиоволн УКВ-диапазона
- Эжектор. Принцип действия и устройство. Что такое эжектор. Водоструйный эжектор.
- Требования по охране труда для швартовщика
- ТРЕБОВАНИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА ДЛЯ РАБОТНИКОВ, ЗАНЯТЫХ ОБСЛУЖИВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОЛОДЦЕВ, ЛОТКОВ И ТРУБОПРОВОДОВ
- Обеспечение безопасности докеров, занятых в обработке опасных грузов
- Cудовые службы. Их состав и назначение
- Схема водоопреснительной установки с испарителем поверхностного типа и с адиабатным испарителем
Свежие комментарии
- Александр к записи Контрольная работа по дисциплине теория и устройство судна
- EllenaI85 к записи Контрольная работа по дисциплине теория и устройство судна
- Pavlina06 к записи Курсовая расчет ходкости судна вариант 25 часть 2
- Pavlina06 к записи Курсовая расчет ходкости судна вариант 25 часть 1
- admin к записи Контрольная работа по дисциплине теория и устройство судна
Выбор пользователей
- Судовые тревоги. Сигналы судовых тревог. Виды судовых тревог — 63 оценок
- Эжектор. Принцип действия и устройство. Что такое эжектор. Водоструйный эжектор. — 39 оценок
- Спутниковая система GPS. Состав системы GPS. Особенности использования. — 18 оценок
- Гипотезы о происхождении Земли и Солнечной системы. Как возникла Земля? — 16 оценок
- УКВ. Что такое УКВ диапазон. Особенности распространения радиоволн УКВ-диапазона — 13 оценок
- Коммутация в электродвигателях постоянного тока. — 12 оценок
- Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом — 11 оценок
- Глубина эхолот. Методы измерения глубин — 11 оценок
- Система ограждения МАМС. Плавучие знаки системы МАМС. Единая система ограждения навигационных опасностей. — 10 оценок
- Рыбонасосы. Вакуумные и центробежные рыбонасосы для живой рыбы. — 9 оценок
- Спасательные шлюпки. Конструкция и снабжение спасательной шлюпки — 8 оценок
- Что такое лот. Прибор для измерения глубины. Методы для измеренмя глубин. — 8 оценок
- Насосные установки. Схема и принцип действия насосоной установки — 8 оценок
- Однофазный трансформатор. Принцип действия и устройство трансформатора. — 7 оценок
Лучшее
- Спутниковая система GPS. Состав системы GPS. Особенности использования. (5,00 из 5)
- Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (5,00 из 5)
- Реле. Устройство реле. Схема реле. Назначение и устройство электромагнитного реле (5,00 из 5)
- Дельные вещи. Дельные вещи судна, яхт, катеров, лодок. (5,00 из 5)
- Рулевое устройство. Типы и конструкция рулевого устройства судна. (5,00 из 5)
- Маркировка груза. Маркировка опасных грузов. Виды и значение маркировки грузов (5,00 из 5)
- Радиолокационная станция РЛС. Cтруктурная схема и принцип работы судовой РЛС (5,00 из 5)
- Схема холодильной установки. Холодильные установки. Компрессионная холодильная установка. (5,00 из 5)
- НБЖР 80. Содержание и основные положения НБЖР-80. (5,00 из 5)
- Морские течения в Мировом океане. Карта морских течений. (5,00 из 5)
- Кинематическая схема самописца с прямолинейным движением пера (5,00 из 5)
- Типы трансформаторов тока. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. (5,00 из 5)
- Девиация магнитного компаса. Способы определения девиации магнитного компаса (5,00 из 5)
Навигация
- Без рубрики
- Борьба за живучесть и безопасность жизнедеятельности
- Военно-морская подготовка
- Высшая математика
- Геодезия
- Гидроаккустические приборы и системы
- Гидрометеорология
- История
- Книги и пособия
  - Технические регламенты
  - Контрольные, курсовые и задачи по астрономии с решением и примерами
  - Контрольные, курсовые и задачи по навигации и лоции с решением
  - Контрольные и задачи по теории и устройству судна с решением
  Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение
  
  Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.
  
  Классификация фотоэлементов
  
  Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:
  - Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  - Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  - Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).
  На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.
  
  Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.
  
  Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.
  
  Устройство и принцип действия
  
  Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.
  
  При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.
  
  Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.
  
  Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.
  
  Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.
  
  При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.
  
  Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.
  
  Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.
  
  Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.
  
  Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.
  
  Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.
  
  Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.
  
  Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.
  
  Фоторезистор
  
  Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?
  
  Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.
  
  Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.
  
  При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.
  
  Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.
  
  Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.
  
  Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.
  
  Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.
  
  Фотодиод
  
  Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.
  
  Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.
  
  Применение
  
  Фотоэлементы на практике применяются по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.
  
  Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:
  - По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
  - Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
  - Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
  - На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
  - В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
  - На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
  - В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
  - Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
  - Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
  - Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.
  Похожие темы:
  - Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение
  - Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики
  - ПЗС матрицы. Виды и устройство. Параметры и особенности
  - Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности
  Светодиодный мир нашего века
  
  О светодиодах применяемых в нашей жизни, автомобилях и технике, устройство, характеристика, подключение светодиода, история будущее.
  
  Рекламодателям и Исполнителям заданий
  
  воскресенье, 24 февраля 2013 г.
  
  Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом
  
  Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
  
  Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.
  Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов дополнительную энергию, достаточную для выхода их вещества в окружающую среду (в вакуум или разрежённый газ). В вакуумных или электронных фотоэлементах движение происходит в вакууме, в газонаполненных или ионных фотоэлементах электроны перемещаются в разреженном газе и ионизируют атомы газа.
  
  Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (изо) имеет стеклянную колбу 2 , в которой создан вакуум (в вакуумном фотоэлементе) или после откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком давлении — в ионных фотоэлементах).
  
  Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения светового потока 1 , покрыта фотокатодом 3 , который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
  Анод 4 фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе 5 , в нижней части которого находятся контактные штырьки 6 с выводами от анода и катода.
  
  Под действием приложенного напряжения U источника питания между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле, и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду.
  
  Таким образом, в цепи установится фототок Iф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника питания (Ifr=f(Ф)) называется световой характеристикой. В ионном фотоэлементе электроны ионизируют атомы газа и увеличивают поток электронов т. е. увеличивают ток фотоэлемента, повышая его чувствительность.
  
  Фотоэлектронная эмиссия и фототок фотоэлемента зависят от длины волны светового излучения, поэтому помимо световой чувствительности фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью.
  
  Анодные вольт амперные характеристики фотоэлементов показывают зависимость фототока от приложенного к зажимам фотоэлемента напряжения при неизменном световом потоке, освещающем фотокатод, т. е. Iф =f(U) при Ф = const.
  
  У электронного фотоэлемента фототок сначала быстро растет при увеличении напряжения, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается, т. е., наступает режим насыщения (изо, а ).
  Для ионных фотоэлементов анодная вольт амперная характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх вследствие ионизации газа (изо, б ).
  В процессе работы фотоэлементов их параметры со временем изменяются, т. е. проявляется свойство их «утомляемости».
  Обычно фотоэлементы используют совместно с ламповыми или транзисторными усилителями вследствие малого значения фототока, который может быть получен от фотоэлемента.
  
  Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы с усилением фототока, называемые фотоэлектронными умножителями. Эти приборы с внешним фотоэффектом, в которых фототок усиливается под действием вторичной электронной эмиссии.
  
  Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем.
  
  Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения световой энергии вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала. Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества,увеличивая количество носителей электрических зарядов.
  Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко изменяется под действием падающего на них светового излучения. В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК). Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фоторезистор представляет собой (изо, а ) стеклянную пластинку 1 , на которую нанесен тонкий слой полупроводника 2 , покрытый прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги. По краям выведены два металлических электрода 3 . Фоторезистор помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на изо, б .
  
  Фоторезистор: а — схема устройства, б — схема включения и условное обозначение ФР, в — вольт амперная характеристика; 1 — пластинка, 2 — слой полупроводника, 3 -электроды
  
  Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
  Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым» сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через него проходит малый «темновой» ток Iт . При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается и ток увеличивается до некоторого значения Iс , зависящего от интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и «темновым» называется фототоком, т. е.
  Iф = Iс — Iт .
  Вольт амперная характеристика фоторезистора (изо, в ), т. е. зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f(U) при
  Ф = const линейна. Видно, что прямая затенённого положе, чем освещённого.
  Это говорит о меньшей чувствительности неосвещённого элемента. К недостаткам фоторезисторов относится их инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время), нелинейность световой характеристики (фототок возрастает медленнее, чем сила света), зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды. Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между полупроводниками с р- и n- проводимости. В этих фотоэлементах под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая фото-эдс. Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен, сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.
  
  Схема устройства кремниевого
  вентильного фотоэлемента 1 — пластина кремния, 2 — слой полупроводника
  
  Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов — электронов и дырок.
  Под действием электрического поля р-n -перехода образующиеся в результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой n , а дырки — в слой р , что приводит к избытку электронов в слое n и дырок в слое р .
  Под действием разности потенциалов (фото-эдс) между слоями р и n во внешней цепи проходит ток I , направленный от электрода р к электроду n . Этот ток зависит от количества носителей зарядов — электронов и дырок, т. е. от силы света.
  
  Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм), они не требуют источника питания и находят широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т. д. Принцип устройства кремниевого фотоэлемента с запирающим слоем показан на изо.
  На пластину кремния 1 с примесью, создающей электронную проводимость, вводят примесь бора путем диффузии в вакууме, в результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью 2 очень малой толщины, так что световые лучи свободно проникают в зону перехода. Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют, например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
  Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n -переходом, называемый фотодиодом, может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим). При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение вызывает возникновение фото-эдс, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод. При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-эдс и фотодиод подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью.
  Если фотодиод не освещен, то через него проходит не боль шой обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов — электроны и дырки. Дырки доходят до р-n -перехода и под действием электрического поля переходят в р -область, т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных носителей из n -области в р -область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
  
  Применение фотоэффекта
  
  На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в разных областях науки и техники.
  
  Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
  
  В зависимости от вида осуществляемого фотоэффекта, фотоэлементы можно разделить на три группы:
  
  1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Простейшим из них является вакуумный фотоэлемент (рис.1). Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окна для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Выводы катода и анода, вмонтированные в пластмассовый цоколь, присоединяются к источнику напряжения. Если на фотокатод подействовать светом, способным вырывать электроны, то по цепи пойдет фототок, интенсивность которого увеличивается при наличии между катодом и анодом ускоряющего напряжения.
  
  Вакуумные фотоэлементы безынерционны, для них наблюдается пропорциональность между фототоком и интенсивностью излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов (например, фотоэлектрический экспонометр, люксметр – измеритель освещенности, и т.д.).
  
  Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным газом (Ar или Ne при давлении ~110 Па). Такой фотоэлемент называется газонаполненным. Фототок в таком элементе усиливается вследствие столкновительной ионизации молекул газа фотоэлектронами.
  
  Рис. 1. Электрическая схема включения вакуумного фотоэлемента.
  
  2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет проводить измерения в дальней инфракрасной области спектра (до 34 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма- излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
  
  3. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая (подобно элементам с внешним фотоэффектом) строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купоросные, сернисто-серебряные и др. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую.
  
  4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых сочетается внешний фотоэффект с эффектом вторичной электронной эмиссии, происходящей на нескольких динодах. Эти приборы обладают чувствительностью, на несколько порядков большей, чем у фотоэлементов.
  
  Основными характеристиками фотоэлемента являются:
  
  1. Вольтамперная характеристика – зависимость силы фототока от напряжения на фотоэлементе при неизменной освещенности фотокатода.
  
  2. Спектральная характеристика – зависимость силы фототока от длины волны падающего излучения при неизменной освещенности и неизменном напряжении на фотоэлементе.
  
  3. Световая характеристика – зависимость силы фототока от величины светового потока данной длины волны при неизменном напряжении на фотоэлементе.
  
  4. Интегральная чувствительность – отношение силы фототока с суммарной мощности излучения в выбранном диапазоне длин волн.
  
  Вольтамперная характеристика фотоэлемента с внешним фотоэффектом
  
  На рис.2 приведена вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента, соответствующая двум различным освещенностям фотокатода (частота падающего света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения напряжения фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение фототока I_нас – фототок насыщения – определяется
  
  таким значением напряжения, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. I_нас=e*n (n — число электронов, испускаемых фотокатодом в ед. времени).
  
  Из вольтамперной характеристики следует, что при напряжении, равном нулю, фототок не исчезает, т.к. электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной кинетической энергией (в соответствие с уравнением (1)) и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U=U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,
  
  (3)
  
  Таким образом, измерив U₀, можно найти максимальное значение скорости и кинетической энергии фотоэлектронов. С учетом выражений (1,2) уравнение (3) можно представить в виде
  
  (4)
  
  Вольтамперные характеристики газонаполненных фотоэлементов (рис.3) резко отличаются от характеристик вакуумных фотоэлементов. Для газонаполненных фотоэлементов вольтамперная характеристика не имеет тока насыщения (кривая зависимости силы фототока от напряжения пологая вначале, затем круто поднимается вверх). Это объясняется процессом ионизации инертного газа, находящегося внутри колбы фотоэлемента.
  
  Спектральная характеристика фотоэлемента
  
  В зависимости от вида спектральной характеристики различают нормальный и селективный (избирательный) фотоэффект. Фотоэффект называется нормальным, если величина фототока убывает с увеличением длины волны (см. рис.4а). Селективным или избирательным называется фотоэффект, при котором сила фототока имеет резко выраженные максимумы для определенных длин волн, характерных для данного вещества фотокатода (см. рис.4б). По спектральной характеристике можно судить, с каким источником лучистой энергии наиболее целесообразно использовать данный фотоэлемент.
  
  Рис.4. Спектральные характеристики фотоэлементов с нормальным (а) и селективным (б) фотоэффектом.
  
  Изучение характеристик фотоэлемента ЦГ-4
  
  В настоящей работе требуется снять вольтамперную и спектральную характеристики цезиевого газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4, в котором имеет место явление внешнего фотоэффекта. Оба эксперимента проводятся с использованием монохроматора УМ-2.
  
  Принципиальная схема призменного монохроматора приведена на рис.5. Лучи света от лампочки накаливания (1) через защитное стекло кожуха лампы (2) и конденсор (3) поступают в щель коллиматора (4). После выхода из объектива (5) параллельный пучок света направляется на диспергирующую призму (6), из которой отбирается пучок, направленный под углом 90 0 по отношению к падающему пучку. Далее свет идет в выходную трубу монохроматора, которая состоит из объектива (9), выходной щели (10) и защитного стекла (11).
  
  Призменный столик (8), связанный с поворотным механизмом, имеет микрометрический винт, на барабане (7) которого нанесены деления в градусах. Вращая призменный столик с помощью барабана на определенные углы относительно падающего света, получают в выходной щели свет с требуемой длиной волны. После выхода из щели монохроматический свет попадает на фотоэлемент (12). Пересчет делений барабана в длины волн может быть сделан с помощью данных, приведенных в табл.2. Монохроматор УМ-2 позволяет получать монохроматический свет в диапазоне 380-1000 нм.
  
  Распределение интенсивности излучения лампы накаливания (1) зависит от длины волны. Поэтому, освещая исследуемый фотоэлемент светом с длинами волн ₁, ₂, ₃, … _k, указанными в табл.2, и отмечая соответствующие им отклонения светового «зайчика» гальванометра n₁, n₂, n₃, … n_k, можно получить лишь искаженную спектральную характеристику данного фотоэлемента. Для определения распределения интенсивности в спектре излучения лампы используется селеновый фотоэлемент, обладающий тем свойством, что его спектральная характеристика не зависит от длины волны падающего излучения. Фототок, возникающий в селеновом фотоэлементе, пропорционален только интенсивности падающего света. Если селеновый фотоэлемент освещать светом тех же длин волн (см. табл.2) ₁, ₂, ₃, … _k, то по соответствующим отклонениям «зайчика» гальванометра n₁‘, n₂‘, n₃‘, … n_k‘ мы можем судить об интенсивности различных монохроматических пучков. Отношения n₁/n₁‘, n₂/n₂‘, n₃/n₃‘, …, n_k/n_k‘ будут характеризовать величину фототока, возникающего в исследуемом фотоэлементе ЦГ-4, для различных монохроматических пучков.
  
  I. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента ЦГ-4.
  
  Порядок выполнения работы
  
  1. Ознакомиться со схемой включения фотоэлемента ЦГ-4 согласно рис.1.
  
  3. Поместить за выходной щелью монохроматора в гнездо специальной панели исследуемый цезиевый фотоэлемент, подключить его к внешнему источнику постоянного напряжения. Отметим, что гнезда панели уже подключены к гальванометру. Фотоэлемент и входную щель накрыть светонепроницаемым чехлом для защиты от постороннего света.
  
  2. Включить источник света и с помощью монохроматора найти спектральный участок, для которого чувствительность фотоэлемента максимальна. Поворотом ручки потенциометра изменять напряжение на фотоэлементе от 0 до 240 В с интервалом в 10 В. Показания микроамперметра при каждом значении рабочего напряжения занести в табл.1.
  
  3. Аналогичные измерения провести при понижении рабочего напряжения на фотоэлементе от 240 В до 0 В с тем же интервалом.
  
  Сила фототока фотоэлемента ЦГ-4 в зависимости от напряжения на нем.
  Похожие публикации: