Фотоэлементы

1. На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов , преобразующих световой сигнал в электрический . К ним относятся фотоэлементы , фотосопротивления , фотоэлектронные умножители , электронно - оптические преобразователи , передающие телевизионные трубки , фотодиоды и т.д. На внешнем фотоэффекте основана работа вакуумных фотоэлементов . Конструктивно они выполнены в виде стеклянного баллона , откачанного до высокого вакуума (рис.1) . Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем чувствительного к свету вещества , который называется фотокатодом . В качестве фотокатода используются вещества с малой работой выхода . Такими веществами является соединения сурьмы с одним или несколькими щелочными металлами и соединения серебро - цезий . Анодом служит металличес кое кольцо или сетка , помещенные в центре баллона .

2. 4

   Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента . Она имеет вид , показанный на (рис.2) . Пологий ход кривой объясняется тем , что электроны вылетают из катода с различной скоростью . Некоторые из них обладают достаточно большой скоростью и , пролетая по инерции пространство между анодом и катодом , замыкают цепь . Этим объясняется наличие тока в цепи в отсутствии анодного напряжения. (участок 0-1) . Для обращения силы тока в нуль на анод надо подать отрицательное задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов , даже обладающему максимальной скоростью , не удастся достигнуть анода . Поэтому можно записать :

где - кинетическая энергия электрона .

3 -4 - Участок насыщения означает , что все электроны , испущенные катодом, попадают на анод . Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света .

3. Одним из основных параметров любого фотоэлемента является интегральная чувствительность , равная силе фототока насыщения при световом потоке в 1 лм. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов является малая интегральная чувствительность . Значительно большей интегральной чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ) .

4. На явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках основано действие вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений . Они устроены следующим образом . На металлическую подложку М наносится слой полупроводника Р (рис.3). На границе металл - полупроводник в силу их различных физических свойств образуется запирающий слой , пропускающий носители тока в одном направлении - из полупроводника в металл .

При освещении полупроводника в нем образуется большее число свободных электронов, в результате равновесное распределение носителей тока в области контакта нарушается , и электроны переходят из полупроводника в металл , заряжая металл отрицательно , а полупроводник - положительно . Таким образом , на границе металл - полупроводник образуется два противоположных полюса , и , если их соединить проводником , по цепи потечет ток без какого - либо дополнительного источника тока . Иначе говоря , вентильный фотоэлемент сам является источником тока .

Я вление возникновения ЭДС при освещении контакта металл - полупроводник называется вентильным фотоэффектом .

В отличие от вакуумных вентильные фотоэлементы непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Наиболее эффективными являются вентильные фотоэлементы, основанные на использования контакта двух полупроводников электронного (n) и дырочного (p) типа проводимости , т.е. на так называемом p-n - переходе .

Несколько десятков соединенных последовательно p-n - переходов образуют солнечную батарею .

Вентильные фотоэлементы имеют значительно большую интегральную чувствительность , чем вакуумные .

Фотосопротивления представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку слой полупроводника , на поверхности которого укреплены токоподводящие электроды (рис.4) . При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает , а сопротивление резко падает . Изменяя интенсивность света . можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале .

Описание установки и ход выполнения работы.

В работе исследуется вакуумный фотоэлемент с сурьмяно - цезиевым катодом. Красная граница фотоэффекта мкм Площадь фотокатода 2·10^-3м².

Лабораторная установка позволяет :

1. исследовать вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента ;

2. определить его интегральную чувствительность ;

3. проверить 1 закон фотоэффекта .

Электрическая схема установки показана на рис.5 . Потенциометром P плавно изменяют напряжение , подаваемое на анод A . Величина напряжения измеряется вольтметром , сила фототока микроамперметром . Катод К освещается лампой накаливания Л , которая может перемещаться вдоль линейки АB . Интенсивность света , падающего на катод , регулируется расстоянием r между лампой и фотоэлементом Ф .