Фотоэлементы

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. 3.9.1). 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 металлическое кольцо или сетка, помещенные в центре баллона.

Рис. 3.9.1.

Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента. Она имеет вид, показанный на (рис. 3.9.2). 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 отсутствие анодного напряжения (участок 0 – 1).

Рис. 3.9.2.

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:

, (3.9.5)

где – кинетическая энергия электрона .

3 – 4 – это участок насыщения тока. На этом участке все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света.

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).

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. 3.9.3). 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.

Явление 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.3.9.4).

Рис. 3.9.3. Рис. 3.9.4.

При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает, а сопротивление резко падает. Изменяя интенсивность света, можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале.