Коллоквиум / Вопросы и ответы к коллоквиуму и содержание билетов / 14 / 2.16

Первым, кто продемонстрировал фотоэлектрический эффект, как оказывается, был Edmond Becquerel (Becquerel, 1841a, , 1841b). В возрасте 19 лет, работая в лаборатории отца, он смог получить электричество освещая электрод разным светом, включая солнечный (см. изображение ниже). Наилучшие результаты были получены при использовании синего или ультрафиолетового света, а так же, когда электроды были покрыты светочувствительным материалом, таким, как AgCl или AgBr. Хотя Беккерель обычно использовал электроды из платины, он также наблюдал некоторый эффект с серебряными электродами. Впоследствии Беккрель нашел применение фотоэлектрическому эффекту в "актографе", который определял температуру нагретых тел по измеренной интенсивности испускаемого ими излучения.

Схема устройства, описанного Беккерелем (1839)

Следующий шаг на пути развития фотоэлектричества был сделан благодаря интересу существовавшему к фотопроводимости селена. Во время изучения этого явления Adams and Day (1877) наблюдали некоторую аномалию, которую, как они полагали, можно было объяснить наличием образованием внутренних электрических напряжений. Они исследовали это необычное явление более подробно с помощью образцов, показанных ниже. Платиновые контакты нагревались и вводились с двух сторон небольшого цилиндра из стекловидного селена. Целью эксперимента, проводимого Adams и Day над этим образцом, было установить, "можно ли, используя только лишь излучение, создать ток в селене".

Образец, который использовали Adams и Day в 1876г. для изучения фотоэлектрического эффекта в селене.

И результат оказался положительным! Это была первая демонстрация фотоэлектрического эффекта в системе, состоящей только из твердых тел. Adams и Day считали, что фототок является следствием вызванной светом кристаллизации внешних слоев селенового цилиндра. Для того, чтобы понять, что на самом деле является причиной фотоэффекта понадобилось еще несколько десятилетий развития физики.

Следующий значительный шаг вперед был сделан через семь лет с появлением работы Fritts (1883). Fritts смог изготовить тонкие пленки селена, сжимая расплавленный селен между пластинок, изготовленных из двух различных металлов. При чем селеновая пленка прилипала только к одному из них. Таким образом, прикладывая лист золота к освещенной поверхности селена он создал первый тонкопленочный солнечный элемент. Его площадь была примерно 30 см2.

Тонкая пленка селена, полученная Fritts в 1883.

Он также стал первым, кто осознал невероятный потенциал фотоэлектрических устройств. Он понял, что само устройство можно сделать довольно дешевым и отметил, что "ток, если он не нужен в данный момент в том месте, где его получили, можно "сохранить" в аккумуляторах ... или передать ... на какое-то расстояние и использовать или сохранять там".

Однако, прошло еще примерно 50 лет до того, как случился очередной всплеск активности в этой области.

При изучении явлений фотопроводимости в слоях закиси меди, выращенных на кристалле меди, было открыто выпрямляющее действие перехода медь - закись меди. В результате были разработаны выпрямители большой площади, вскоре после которых появились фотоэлементы большой площади. Grondahl описывает как создание медно - закись медных выпрямителей, так и фотоэлектрических элементов.

На изображении ниже показана очень простая конструкция ранних элементов, основанных на переходе между медью и закисью меди. Лицевой контакт был выполнен в виде спирали из медной проволоки. В последствие этот подход был усовершенствован с помощью напыления металла на внешнюю поверхность через специальную маску, которая придавала металлической контактной сетке желаемую конфигурацию. Описанные события значительно стимулировали активность в этой области. В течение 1930-1932гг. Grondahl отмечает 38 публикаций, посвященных фотоэлектрическим элементам на основе перехода медь - окись меди.

Ранний фотоэлектрический элемент на основе перехода медь - оксим меди, изготовленный Grondahl и Geiger в 1927г.

Это также возродило интерес к селену, как к фотоэлектрическому материалу. В частности, Bergmann сообщает об улучшении устройств на основе селена в 1931г. Селеновые элементы оказались лучше медных и стали преобладать среди коммерчески доступных продуктов. В 1939г. Nix сообщил о создании элемента со сходной эффективностью на основе сульфида таллия. Устройство этого элемента, а так же устройство наиболее эффективных селеновых и медных элементов показано на следующем изображении.

Структура самых эффективных фотоэлектрических устройств, созданных в 30-х годах.

Применение фотоэффекта в технике

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство. Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком - "окном" О для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К л А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнер-" гии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фото-электрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент. Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод Т, и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока Е1 а на триод - от источника тока Е2. Ток накала триода создают источником тока Е3- Между сеткой и катодом триода включен нагрузочный резистор RH.

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор RH, идет ток. На резисторе Ru происходит падение напряжения, вследствие чего потенциал сетки триода значительно меньше потенциала катода и лампа заперта.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, падение напряжения на резисторе становится равным нулю и лампа отпирается. Через обмотку электромагнитного реле идет анодный ток, реле срабатывает и его контакты замыкают исполнительную цепь, функциями которой могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека; выдвигание преграды в турникете метро и т.д.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука,записанного на кинопленке атакже передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

Простейшее фотосопротивление представляет собой пластинку изолятора, на которую нанесен тонкий слой полупроводника. При освещении пластинки возникает фотопроводимость и в цепи фотосопротивления идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике.

Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически обнаружить нарушения нормального хода различных производственных процессов и останавливать в этих случаях процессы. При нарушениях нормального хода процесса может измениться световой поток, попадающий на фотоэлемент, в результате изменяется сила фототока, и изменяется ход всего процесса.

Фотосопротивления применяются для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

На рисунке изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем (вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другим пластинки, изготовленные из металла и его окиси (полупроводник) покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его окисью имеет одностороннюю электропроводность - электроны могут проходить лишь в направлении от окиси металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях.

Далее:Давление света.Опыты Лебедева

http://kvantfisic.by.ru/kvant05.html