Фотоэлектрические устройства.

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными.

Рассмотрим один из наиболее распространенных фотоэлектронных приборов - вакуумный фотоэлемент (рис. 4). Он основан на внешнем фотоэффекте и состоит из источника электронов - фотокатода K, на который попадает свет, и анода A. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух.

Рис. 4.

Схема включения вакуумного фотоэлемента в цепь.

Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке 4 приведена схема включения фотоэлемента в цепь.

Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки вольтамперных характеристик. Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения ~100 мкА/Лм.

Для усиления фототока применяют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - приборы, в которых кроме фотоэффекта используется явление вторичной эмиссии электронов, проходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов.

Рассмотрим схему ФЭУ (рис. 5). Падающие на фотокатод K фотоны эммитируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э₁. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, то есть проходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

Рис. 5. Принципиальная схема ФЭУ.

ФЭУ применяют для регистрации малых световых потоков. Например, для регистрации сверхслабой биолюминесценции и так далее.

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП) (рис. 6), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений.

Рис. 6. Схема простейшего ЭОП.

Световое изображение объекта 1 (см. рис. 6), спроектированное на полупрозрачный фотокатод K, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран L. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое изображение 3.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека. ЭОП способен преобразовать ИК излучение в видимое, что, в частности используется для термографической диагностики заболевания.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока. Их чувствительность достигает нескольких тысяч мкА/Лм.

Рассмотрим селеновый фотоэлемент (рис. 7, А). Он представляет стальную пластинку 1, которая служит одним из электродов и покрыта тонким слоем 2 селена с дырочной проводимостью (типа p). Поверх селена нанесен тончайший слой 3 серебра, который служит вторым электродом. Атомы серебра проникают в прилежащий к нему слой селена и придают ему электронную проводимость (типа n). Между верхним и нижним слоями селена образуется запирающий слой, в котором возникает контактная разность потенциалов (КРП), направленная от n-к p-слою.

Рис. 7. Устройство и принцип действия селенового фотоэлемента

При действии света в селене (преимущественно в верхнем слое) происходит фотоэффект - электроны отрываются от атомов и на их месте остаются дырки (рис. 7, Б). Электроны в этом слое - основные носители зарядов и через запирающий слой проходить не могут. Дырки - неосновные носители зарядов и под действием КРП проходят через запирающий слой в нижнюю часть селена. Аналогично из нижнего слоя селена в верхний слой проходят только электроны. Таким образом, положительные и отрицательные заряды, освободившиеся под действием света, разделяются по обе стороны от запирающего слоя и образуют разность потенциалов, или э.д.с. фотоэлемента. Количество электронов и дырок, освобождающихся в единицу времени, а соответственно, и разность потенциалов между электродами прямо пропорциональна световому потоку, падающему на фотоэлемент. Это свойство, поскольку чувствительность спектральная селенового фотоэлемента близка к спектральной чувствительности газа, позволяет применять селеновый фотоэлемент в различных приборах для световых измерений, в частности в люксметрах, в эксионометрах и так далее.

Другие вентильные фотоэлементы (сернистоталлиевый, германиевый и другие) чувствительны к ИК излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, то есть, расширяют возможность зрения человека. На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д. = 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.