Мета роботи: вивчення будови. принципу дії та характеристик фотоелектронних перетворювачів.

Теоретичні відомості.

Робота фотоелектронних давачів базується на використанні явища фотоелектронного ефекту, яке полягає в тому, що під дією променевої енергії. напрямленої на поверхню металів і напівпровідників, електрони, отримуючи додаткову енергію, переміщуються.

Фотоелектронні явища, на основі яких працюють фотоелектронні давачі, можна: розділити на три типи:

1. Зовнішній фотоефект, або фотоелектронна емісія, грунтується на тому, що електрони під дією освітлення покидають поверхню речовини.

2. Внутрішній фотоефект полягає в переході електронів в освітленому напівпровіднику на вищий енергетичний рівень.

3. Фотогальванічний, або вентильний, ефект є проміжним випадком, коли електрони з освітленої речовини переміщається в другу речовину, відділену тонким запираючим шаром. В результаті фотоефекту між електродами виникає фото-е.р.с.

Фотоелектронна емісія : використовується в фотоелементах із зовнішнім фотоефектом і більш складних приладах - фотопомножувачах. Внутрішній фотоефект застосовують у великому класі напівпровідникових приймачів випромінювання - в фотодіодах. фоторезистаpax, фототиристорах, фототранзисторах та ін. Фотоелектронні давачі застосовуються для вимірювання і перетворення неелектричних величин: переміщень, діаметрів отворів, мутності і кольору рідини, густини диму, рівнів рідини і газів в прозорих місткостях та ін.

Вихід електронів за межі фотокатода пояснюється тим, що згідно квантової. теорії світловий потік - це - потік фотонів, або по-іншому квантів, електромагнітної енергії, енергія яких дорівняє hν, h=6,62*10-31 Дж*с - стала Планка; ν=c/λ - частота світла з довжиною хвилі λ: с=300*106 м/с - швидкість світла. Проникаючи в метал, фотони взаємодіють з електронами і віддають при цьому свою енергію.

Умова виникнення фотоелектронної емісії визначається рівнянням Ейнштейна, за яким електрони можуть вийти за межі катоду, якщо кінетична енергія є такою, що справджується нерівність:

де m - маса електрона; v - швидкість руху електрона; А - робота виходу електрона за межі катоду.

Порогова частота фотоефекту ν₀ відповідає такій енергії падаючих квантів світла, при якій початкова кінетична енергія фотоелектронів рівна нулю

(2.2)

Якщо v<v₀, то фотоемісія є неможлива. Для кожної речовини існує своя частота випромінювання.

Згідно закону Столетова потік електронів, що емітує з катоду за одиницю часу під дією світлового випромінювання постійного спектрального складу, пропорційний світловому потоку

I_Ф=SФсв (2.3)

Властивості фотоелементів значною мірою залежать від властивостей фотокатодів, в основному використовуються складні фотокатоди з властивостями напівпровідників, головним чином, киснево-цезієві, в яких мала робота виходу.

Найважливішими характеристиками фотоелементів є:.

а) світлова I_Ф=f(Фсв) при Ua=const;

б) вольтамперна I_Ф=f(Ua) при Фсв=const;

в) спектральна - це залежність чутливості фотоелемента від довжини хвилі світлового потоку S₁/S₁max=f(λ)

г) частотна - залежність чутливості фотоелемента від частоти модуляції світлового потоку S₁/S₁max=f(ν).

Залежність фотоструму від прикладеної між електродами напруги при сталому світловому потоці I=f(U) називається вольтамперною характеристикою фотоелемента.

Початкові ділянки характеристики вакуумного фотоелемента аналогічні характеристикам електронного діода; при зростанні напруга зростає число електронів, які доходять до анода. При певній напрузі настає насичення - більшість електронів, що вилетіли з катода під дією світла, досягають анода, тому подальше підвищення напруги не викликає зростання струму.

Робочою ділянкою характеристики є ділянка насичення. Через Фотоелемент, який знаходиться в темноті (Ф_CB=0) проходить так званий темневий струм. Він зумовлений термоелектронною емісією катоду і струмом витоку. У більшості фотоелеметів із зовнішнім фотоефектом тепловий струм I_Ф=10^-7—10^-8 A

Крім вакуумних фотоелементів застосовуються фотоелементи, наповнені інертним газом. Робиться це для того, щоб підвищити чутливість фотоелемента. Для підсилення фотоструму використовується несамостійний газовий розряд, тобто такий, який існує лише в присутності зовнішнього іонізатора - потоку електронів, що вилітають з катоду при його освітленні. В результаті зіткнення електронів з молекулами газу відбувається його іонізація. Тому струм створюється не лише електронами, а й іонами газу. Коефіцієнт підсилення досягається при цьому k_t=6…10, що видно з вольтамперної характеристики. Світлові характеристики газонаповненого фотоелемента сильно залежать від напруги і також нелінійні.

Фоторезистори (фотоелементи з внутрішнім фотоефектом). Внутрішній фотоефект полягає в тому. що. під дією світла концентрація електронів у зоні провідності мала, відповідно малою є й провідність . напівпровідника, зумовлена концентрацію електронів у зоні провідності.

При освітленні напівпровідника світлом, енергії кванта якого достатньо для переводу ,електорна в активний стан і переміщення його в зону провідності. Концентрація електронів у зоні провідності збільшується, а, відповідно, зростає провідність напівпровідника.

Для виготовлення фоторезисторів використовують такі напівпровідникові матеріали: сірчистий свинець, сірчистий кадмій, селен, сульфід кадмію, селенід свинцю та ін.

С вітлові характеристики фоторезисторів І_Ф=f(Ф_СВ) нелінійні (із збільшенням світл. потоку чутливість фото резистора знижується), тому для повного визначення чутливості фото резистора вказується числове значення світлового потоку,при якому вона виміряна.

Звичайно - користуються таким параметром, як питома чутливість S0 яка дорівнює чутливості, віднесеної до одиниці прикладеної напруги

Вольтамперні характеристики фото резисторів лінійні.

Для оцінки чутливості фото резистора від світлового потоку використовують відношення темнового опору RT , виміряного при відсутності світлового потоку, до опору при освітленості 200 лм від джерела 2850⁰C.