§ 28-1. Применение фотоэффекта (для дополнительного чтения)
Открытие фотоэффекта позволило ученым и инженерам создать целый ряд технических устройств, выполняющих различные типы рутинных работ: от контроля пассажиров в метро до включения (выключения) городского освещения. Что это за приборы? Как они устроены и каковы основные принципы их работы?
Рассмотрим вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, работающие на основе внешнего фотоэффекта. Такие фотоэлементы представляют собой вакуумированные или наполненные инертным газом стеклянные баллоны (Рис. 178-2,а). На внутреннюю поверхность такого баллона нанесен слой чувствительного металла, который является катодом K фотоэлемента (см. рис. 178-2, а). Анодом A является металлическая сфера (пластина). Приложив между электродами достаточное напряжение, получаем готовый к действию прибор — вакуумный фотоэлемент. В нем энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее. Условное обозначение вакуумного фотоэлемента приведено на рисунке 178-2, б.
Заполнение баллона фотоэлемента инертным газом (аргоном) под давлением 1-10 Па позволяет увеличить силу фототока в десятки раз за счет ударной ионизации.
Области применения фотоэффекта существенно расширились после создания фотоэлементов, чувствительных к видимому и инфракрасному излучению. Для этого на поверхность металлов наносится специальная оксидная пленка, позволяющая уменьшить работу выхода электронов.
В настоящее время вакуумные фотоэлементы могут применяться в инфракрасной области спектра, так как для «наиболее чувствительных» фотокатодов красной границе соответствует длина волны В зависимости от материала катода и колбы фотоэлементы можно применять в диапазоне длин волн от 0,2мкм до 1,1мкм . Главный недостаток вакуумных фотоэлементов заключается в том, что в сила возникающего в них тока мала.
Наряду с фотоэлементами, работающими на внешнем фотоэффекте, широко используются устройства, использующие внутренний фотоэффект (рис. 178-3).
При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей тока или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света.
Этот эффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам, поэтому на их основе создана и работает большая группа приемников света — фоторезисторов (рис. 178-4, а). Фоторезистор (фотосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием света. Проводимость фоторезистора, обусловленную появлением дополнительных носителей свободных зарядов под воздействием света, называют фотопроводимостью. На рисунках 178-4, б и 178-4,в приведены фотодиод и фототранзистор, которые также работают на внутреннем фотоэффекте.
Современная спектрометрия и фотометрия (спектральный анализ веществ, регистрация инфракрасных спектров, измерение слабых световых потоков) невозможны без применения фотоэлементов. Применение фотоэлементов на внутреннем фотоэффекте расширило диапазон их использования в инфракрасной области спектра до 40 мкм.
Первый фотоэлемент на внешнем фотоэффекте был создан А. Столетовым в 1888 г.
Первый фотоэлемент, основанный на внутреннем фотоэффекте, был создан в 1975 г.
Вопросы к параграфу
- Какой прибор называют фотоэлементом?
- Почему вакуумные фотоэлементы не используют как источники электроэнергии?
- Что является главным недостатком вакуумных фотоэлементов?
- В чем заключаются преимущества применения фотоэлектронных умножителей по сравнению с применением фотоэлементов?
- В чем принципиальное различие между внешним и внутренним фотоэффектом?
- В чем заключаются преимущества применения фотоэлементов на основе внутреннего фотоэффекта по сравнению с применением фотоэлементов на основе внешнего фотоэффекта?
- В каких областях науки и техники применяются фотоэлементы? Приведите примеры.
Назовите пожалуйста, применение фотоэффекта.
Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа) . Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора — фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.
Остальные ответы
Применение фотоэффекта http://infsis.ru/svoistva/fiszakon120.htm
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света — сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэкспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.
Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет »107 (при напряжении питания 1—1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают вытеснять фотоэлементы, правда, их применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питания, что несколько неудобно.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (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.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют бóльшую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2—30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др.
2 из 8
Схности котор овременный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней повер ой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода. Это катод 1. Через прозрачное окошко свет проникает внутрь колбы.
В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют 1С положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимое излучение и даже на инфракрасные лучи. При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не пропущена карточка. Подобные автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне. С помощью фотоэлементов воспроизводится звук, записанный на кинопленке.
3 из 8
Фотосопротивление (фоторезисторы) – устройства, действие которых основано на использовании фотопроводимости полупроводников. Их применяют для автоматического управления электрическими цепями с помощью световых сигналов.
Фотосопротивление состоит из полупроводника, обладающего значительной фоточувствительностью, с достаточно большой поверхностью для облучения.
Так как полупроводник при комнатной температуре обладает очень малой проводимостью, то в отсутствие освещения в цепи (рис. а) течет слабый (темновой) ток. При освещении полупроводника его сопротивление уменьшается, и ток в цепи усиливается, возрастая по мере увеличения освещенности.
При изготовлении фотосопротивлений тонкий слой полупроводника наносится на изолятор с электродами в виде полосок (рис. б) и покрывается пленкой прозрачного лака.
К достоинствам фотосопротивлений относятся: высокая фоточувствительность, большой срок службы, малые размеры, простота изготовления, возможность выбора фотосопротивления для нужного интервала длин волн, в частности и для инфракрасной области.
К недостаткам относятся: отсутствие прямой пропорциональности между током в цепи и интенсивностью освещения, влияние на величину сопротивления температуры окружающей среды, инерционность.
4 из 8
Солнечные батареи и электростанции
Другой возможностью является применение фотоэффекта в качестве источника тока, или солнечных батарей. В подобных устройствах работа основана на разновидности внутреннего фотоэффекта, называемого вентильным фотоэффектом. В этом случае при попадании света на контакт двух полупроводников возникает ЭДС, вследствие чего возможно прямое преобразование световой в электрическую энергию. Подобные солнечные батареи изготавливаются на основе соединений арсенида галлия. Они позволяют получать электроэнергию без нанесения вреда экологии – солнце освещает поверхность батареи, и на выходе получается готовая к потреблению энергия. Нет никаких сложных механических устройств, нет необходимости сжигать топливо или строить мощные плотины. Однако такое применение фотоэффекта сопряжено в настоящее время со значительными трудностями. Во-первых, сами солнечные батареи дороги и, соответственно, будет дорогой получаемая электроэнергия. Во-вторых, КПД подобного преобразования не превышает 26%. Правда, работы в направлении повышения эффективности и уменьшения стоимости преобразования светового потока продолжаются, и можно надеяться, что в скором времени будут готовы достаточно эффективные и дешевые солнечные батареи.
5 из 8
Станки и уличные фонари
Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры выключают маяки и уличное освещение и т. п. Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.
6 из 8
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.
Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях.Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков — концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.
7 из 8
И нфракрасные датчики
Датчики движения и датчики присутствия реагируют на появление или исчезновения инфракрасного света на фотоэлементе, являющимся основой этих устройств. Эти факторы, прежде всего, связаны с деятельностью человека, гораздо реже воздействием тепловых излучений, вырабатываемых бытовыми приборами, что приводит к ошибочным срабатываниям датчиков. Например, распознать человека на фоне теплых полов, датчик практически не может. По физической природе ИК-излучение и видимый свет одинаковы. При попадании инфракрасного света на линзу фотоэлемент меняет свои параметры.
8 из 8
Прибор ночного видения
Наблюдательный ПНВ состоит из следующих основных частей: объектива, приёмника излучения, усилителя, устройства отображения изображения.�Во многих современных ПНВ роль приёмника излучения, усилителя средства отображения усиленного изображения выполняет электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Оператор рассматривает изображение на экране ЭОП через окуляр. В качестве приёмника может использоваться ПЗС-матрица. В этом случае оператор наблюдает изображение на экране монитора.
Какой фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах
§ 32. применение фотоэффекта
Явление фотоэффекта (внешнего и внутреннего) применяется в приборах, позволяющих автоматизировать производственные процессы и наш быт. Солнечные элементы используют фотоэффект для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую .
Явление фотоэффекта широко используется в работе многих механизмов и устройств на производстве, а также окружающих нас в повседневной жизни. Чтобы реагировать на свет они содержат фотоэлементы – электронные приборы, в которых энергия падающего света преобразуется в ЭДС ( фотоЭДС ) или электрический ток (фототок).
Вакуумный фотоэлемент представляет собой электровакуумный прибор, внутри которого находятся два электрода – анод А и катод К (рис. 32а). Свет, падающий на катод, вырывает из его поверхности электроны, что приводит к увеличению тока, протекающего в цепи и напряжения на резисторе R . Изменение тока, текущего через фотоэлемент при его освещении можно использовать для включения и выключения различных устройств. Чтобы увеличить чувствительность фотоэлемента, поверхность его катода покрывают веществом с малой работой выхода.
Поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках приводит к росту их электрической проводимости. Это явление, называемое внутренним фотоэффектом, используется при изготовлении фоторезисторов, сопротивление которых может уменьшаться в сотни и тысячи раз при их освещении. Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные фотоэлементы. Фоторезисторы незаменимы в автоматах для сортировки, счета и контроля качества готовой продукции. Они используются в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты и контроле за количеством листов. Фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль за задымленностью различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене — вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.
Солнечная батарея (или батарея солнечных элементов) является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p — n перехода двух полупроводников (рис. 32б). Под действием света по обе стороны от p — n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p — n перехода перемещает электроны из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, причём полупроводник p -типа становится ещё более электроположительным, и в цепи появляется ток (см. рис. 32б). ЭДС, возникающую в области p — n перехода под действием света, называют фотоЭДС .
Чаще всего материалом для солнечных элементов служит Si или GaAs . Солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из солнечных элементов, защищённых прозрачными покрытиями. КПД солнечных элементов может достигать 20%. Как известно, плотность потока солнечного излучения в безоблачный день вблизи экватора составляет около 1000 Вт/м 2 . Поэтому мощность тока, которую можно получить с помощью солнечной батареи, площадь панелей которой равна 1 м 2 , не превышает 200 Вт. Чтобы солнечная батарея имела мощность, достаточную для снабжения электроэнергией семьи из нескольких человек, площадь её панелей должна составлять 10-20 м 2 . Солнечные батареи находят своё применение не только на Земле, но и в космосе, где служат основным источником энергии для аппаратуры и системы жизнеобеспечения спутников и межпланетных кораблей.
Вопросы для повторения:
· Дайте определение фотоэлемента
· Как работает вакуумный фотоэлемент?
· Дайте определения фотоэффекта и фоторезистора?
· Как работают солнечные элементы, и где их применяют?
Рис. 32. (а) – схема вакуумного фотоэлемента, соединённого с источником тока через резистор R ; (б) – схема образования фотоЭДС в p — n переходе солнечного элемента при его освещении.