ФОТОЭЛЕМЕНТЫ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ
В конце прошлого века А. Г. Столетов исследовал явление фотоэффекта, установил его основные закономерности и создал первый фотоэлемент.
Фотоэлементом называется прибор, предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую.
Различают внешний и внутренний фотоэффект.
Внешний фотоэффект заключается в том, что световой лоток, проникая в вещество, отдает ему свою энергию. В результате у части электронов энергия возрастает и становится достаточной для совершения работы выхода, таким образом будет иметь место выход электронов с поверхностного слоя вещества, т. е. фотоэлектронная эмиссия.
Внешний фотоэффект используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях.
Рис. 13-65. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом.
Внутренний фотоэффект заключается в том, что энергия светового потока, полученная веществом, увеличивая энергию отдельных электронов, вызывает ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов (свободных электронов и дырок), вследствие чего или возникает внутренняя э. д. с, или возрастает проводимость вещества.
Внутренний фотоэффект используется в фотоэлементах с запирающим слоем или вентильных и в фотосопротивлениях.
Вакуумный кислородно-цезиевый фотоэлемент (рис. l3-65) состоит из стеклянной колбы, в которой создан вакуум. Внутренняя поверхность ее, за исключением «окна» для прохождения света в колбу, покрывается слоем серебра (подложка), на который наносится слой окиси цезия. Слой серебра и покрывающий его полупроводниковый слой являются катодом фотоэлемента. Анодом служит металлическое кольцо, расположенное в центре колбы.
Рис. 13-66. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом.
Кроме рассмотренного вакуумного фотоэлемента изготовляются еще сурьмяно-цезиевые вакуумные фотоэлементы, у которых подложка выполнена из сурьмы, на которой и наносится полупроводниковый слой.
Газонаполненные фотоэлементы изготовляются только кислородно-цезиевыми. Они отличаются от вакуумных только тем, что колба после создания в ней вакуума заполняется обычно аргоном при низком давлении.
Рис. 13-67. Вольт-амперная характеристика вакуумного фото элемента.
При включении источника питания (рис. 13-66) между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле. Если через окно фотоэлемента на его катод будет падать световой поток, то эмиттированные электроны под действием поля будут перемещаться от катода к аноду и в цепи установится фототок, который будет продолжаться в течение всего времени освещения катода.
Величина фототока зависит от светового потока, напряжения источника питания и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента (рис. 13-67) показывает, что при постоянном световом потоке при увеличении напряжения фототок сначала растет, а затем остается почти неизменным.
Рис. 13-68. Световая характеристика вакуумного фотоэлемента.
Световая характеристика вакуумного фотоэлемента (рис. 13-68), дающая зависимость фототока от светового потока, показывает, что число эмиттированных электронов, а следовательно, и фототок пропорциональны световому потоку, падающему на катод фотоэлемента.
Отношение фототока выраженного в микроамперах, к световому потоку, выраженному в люменах (лм)1,носит название чувствительности фотоэлемента. Для вакуумных фотоэлементов она имеет значение 20 ÷100 мка/лм.
Газонаполненные фотоэлементы вследствие ионизации газа между электродами имеют чувствительность в 4—5 раз большую по сравнению с вакуумными фотоэлементами. Газонаполненные элементы обладают заметной инерцией.
Рис. 13-69. Схема фотоэлектронного умножителя.
Фотоэлектронный умножитель — это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, фототок которого усиливается за счет вторичной электронной эмиссии.
В стеклянном баллоне (рис. 13-69), кроме катода К и анода А, расположен ряд вторичных катодов-эмиттеров К1, К2 и т. д., поверхность которых покрыта эмиссионным составом. Каждый следующий друг за другом катод имеет потенциал примерно на 100 в выше предыдущего. Каждый вторичный катод излучает большее число электронов, чем число первичных, его бомбардирующих. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии а, имеющим значение 3—4. Таким образом, выходной ток фотоумножителя с п вторичными катодами будет σn.
Рис. 13-70. Внешний вид фотоэлемента с запирающим слоем.
Чувствительность фотоумножителя достигает 1 а/лм.
К недостаткам фотоэлектронного умножителя относятся старение — понижение чувствительности с течением времени и необходимость применять высокое напряжение.
Фотоумножитель дает возможность в ряде случаев обойтись без применения усилителей.
Работа фотоэлемента с запирающим слоем или вентильного основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с проводимостью рис проводимостью п.
При освещении фотоэлемента происходит увеличение энергии отдельных электронов за счет получения ее от светового потока. Это вызывает ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов: электронов и дырок. Под действием электрического поля перехода ؏(пер) образующиеся электроны уходят в слой n, дырки — в слой р. Это приводит к избытку дырок в слое р и электронов в слое п. Возникающая разность потенциалов (э.д.с.) межу, слоями р и п вызывает ток I во внешней цепи от слоя р rк слою п. Величина этого тока пропорциональна количеству электронов и дырок и, следовательно, световому потоку.
Рис. 13-71. Схема фотоэлемента с запирающим слоем.
Внешний вид и схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем показана на рис. 13-70 и 13-71.
На тонком стальном или алюминиевом диске нанесен слой полупроводника с р проводимостью, например селен, сверху накладывается тонкий полупрозрачный слой полупроводника с п проводимостью или полупрозрачный слой металла, например серебро. Поверх накладывается защитная прозрачная пленка. Запирающий слой возникает в слое полупроводника, прилегающем к полупрозрачному слою.
В качестве полупроводников применяются: селен, закись меди, сернистый таллий, сернистое серебро, кремний и др.
Кремниевый фотоэлемент состоит из пластины кремния с примесью, имеющей п проводимость. На поверхность пластины путем диффузии в вакууме вводят примесь бора, образуя область толщиной порядка 2 мк с р проводимостью.
Батареи кремниевых элементов носят название солнечных батарей и применяются для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую, имея к. п. д. около 10%. Они, в частности, применяются на искусственных спутниках земли для питания радиостанции.
Фотоэлементы с запирающим слоем имеют высокую чувствительность (до 10 ма/лм). Преимущество их перед другими фотоэлементами заключается в том, что они не требуют источника питания.
Фотоэлементы нашли широкое применение в самых различных областях электроники, автоматики, телевидения, звуковом кино, в измерительной технике и т. д.
Рис. 13-72. Схема фотореле.
В качестве примера на рис. 13-72 дана схема простейшего фотореле.
Свет от лампы 1, попадая в окно фотоэлемента 2, вызывает фототок Iф. Этот ток на сопротивлении rссоздает падение напряжения Iфrс. Поэтому потенциал сетки лампы 3 ниже потенциала катода этой лампы и анодная цепь лампы заперта, тока в катушке контактора 4 нет и контакты 5 в рабочей цепи разомкнуты.
Появление предмета, прерывающего доступ света к фотоэлементу, вызовет исчезновение тока Iф и падение напряжения Iфrс. Лампа отпирается и анодный ток, проходя по катушке контактора, вызовет замыкание контактов в рабочей цепи.
Такое фотореле применяют для автоматического счета изделий, проходящих по конвейеру, для ограждения опасной и запретной зоны пространства и т. д.
Фотосопротивлением (фоторезистором) называется прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием света.
Схема устройства и включения фотосопротивления показана на рис. 13-73.
На тонкую пластинку 1 из стекла, керамики или слюды наносится полупроводниковый слой 2. Для включения в цепь на полупроводниковый слой наносятся контакты 3. Для защиты от влаги полупроводниковый слой покрывается прозрачным лаком.
При защищенном от света фотосопротивлении через него проходит малый ток, называемый «темновым». При освещении фотосопротивления через него идет «световой» ток. Световой ток увеличивается с увеличением светового потока (освещенности).
Рис. 13-73. Схема устройства и включения фотосопротивления.
Разность между световым и темновым током называется фототоком.
Фотосопротивления изготовляются из разных полупроводниковых материалов: сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия и др.
Чувствительность фотосопротивления выше, чем у вакуумных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, и достигает 100 ма/лм.
Фотосопротивления обладают значительной инерцией, а также нелинейной зависимостью от светового потока. Фотосопротивления широко применяются в промышленной электронике, автоматике, измерительной технике и др.
Статья на тему Фотоэлементы фотосопротивления