4.Фотоелементи та їх застосування
На явищі фотоефекту ґрунтується дія фотоелементів, які застосовують у реле, звуковій кіноапаратурі, фотометрії, сонячних батареях тощо.
Електровакуумним (електронним або іонним) фотоелементом є діод, у якого на внутрішню поверхню скляного балона нанесений фотокатод у вигляді тонкого шару речовини, що емітує фотоелектрони. Анодом зазвичай є металеве кільце, що не заважає попаданню світла на фотокатод. У електронних фотоелементах створений високий вакуум, а в іонних знаходиться інертний газ, наприклад аргон, під тиском в декілька сотень паскалів. Катоди зазвичай застосовуються сурьмяноцезієві або срібно-киснево-цезієві.
Властивості і особливості фотоелементів відображаються їх характеристиками. Анодні (вольт-амперні) характеристики електронного фотоелемента Iф = f(uа) при Ф = const, зображені на рис. 1.5, а, показують різко виражений режим насичення. У іонних фотоелементів (рис. 1.5,б) такі характеристики спочатку йдуть майже так само, як у електронних фотоелементів, але при подальшому збільшенні анодної напруги унаслідок іонізації газу струм значно зростає, що оцінюється коефіцієнтом газового посилення, який може бути рівним від 5 до 12. Енергетичні характеристики електронного і іонного фотоелемента, що дають залежність Iф = f(Ф) при Ua = const, показані на рис. 1.6. Частотні характеристики чутливості S дають залежність чутливості від частоти модуляції світлового потоку. З рис. 1.7 видно, що електронні фотоелементи (лінія 1) малоінерційні. Вони можуть працювати на частотах в сотні мегагерц, а іонні фотоелементи (крива 2) проявляють значну інерційність, і чутливість їх знижується вже на частотах в одиниці кілогерц.
Рис. 1.5. Анодні характеристики електронного (а) і іонного (б) фотоелемента
Рис. 1.6. Енергетичні характеристики електронного (1) і іонного (2) фотоелемента
Рис. 1.7. Частотні характеристики електронного (1) і іонного (2) фотоелемента
Фотоелемент зазвичай включений послідовно з резистором навантаження RH (рис.1.8). Оскільки фотоструми дуже малі, то опір фотоелемента постійному струму вельми великий і складає одиниці або навіть десятки МОм. Опір резистора навантаження бажаний також великий. З нього знімається напруга, що отримується від світлового сигналу. Ця напруга подається на вхід підсилювача, вхідна ємкість якого шунтує резистор RH. Чим більше опір RH і чим вище частота, тим сильніше ця шунтуюча дія і тим менше напруга сигналу на резисторі RH.
К
підсилювачу
Рис. 1.8. Схема включення фотоелемента
Основні електричні параметри фотоелементів - чутливість, максимальна допустима анодна напруга і темнової струм. У електронних фотоелементів чутливість досягає десятків, а у іонних фотоелементів - сотень мкА на люмен.
Темновим струмом є струм за відсутності опромінювання. Він пояснюється термоелектронною емісією катода і струмами витоку між електродами. При кімнатній температурі струм термоемісії може досягати 10-10 А, а струми витоку — 10-7 А. У спеціальних конструкціях фотоелементів вдається значно понизити струми витоку, а струм термоемісії можна зменшити лише охолоджуванням катода до дуже низьких температур. Наявність темнового струму обмежує застосування фотоелементів для реєстрації дуже слабких світлових сигналів.
Електровакуумні фотоелементи знайшли застосування в різних пристроях автоматики, в апаратурі звукового кіно, в приладах для фізичних досліджень. Але їх недоліки - неможливість мікромініатюризації і досить висока анодна напруга (десятки і сотні вольт) - привели до того, що в даний час ці фотоелементи в багатьох видах апаратури замінені напівпровідниковими приймачами випромінювання.