Фотоелементи

Прилади, в яких фотоефект використовується для перетворення світлової енергії в електричну, називають фотоелементами.

Відповідно до різних видів фотоефекту створено різні види фотоелементів, а саме: фотоелементи із зовнішнім фотоефектом (вакуумні і газонаповнені), фотоопори — фотоелементи з внутрішнім фотоефектом, вентильні фотоелементи.

Розглянемо коротко принцип дії і будову різних фотоелементів та застосування їх.

Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом (рис. 6) складаються із скляного балона, з якого викачано повітря. Катодом в ньому є частина внутрішньої поверхні балона 2, вкрита світлочутливим шаром (здебільшого з окислів лужних металів Cs, Rb, K, Na); катод освітлюється через прозору частину балона 1. Анодом є напівсферична металева ложечка 3, розміщена в центрі балона. Катод і анод з'єднані з двома штирками-контактами 4, за допомогою яких фотоелемент включається в електричне коло. Щоб збільшити фотострум внаслідок іонізації газу, фотоелементи наповнюють інертним газом. На рис. 6наведено зразки сучасних фотоелементів та маркування їх: СЦВ-4 (сурм'яноцезієвий, вакуумний) і ЦГ-3 (цезієвий газонаповнений). При робочій напрузі 240 В чутливість вакуумного фотоелемента становить 8*10^-5 А/лм.

Рис 6. Зовнішній вигляд фотоелементів

Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом використовуються у звуковому кіно, різних схемах автоматики і телемеханіки, телебаченні. Проте незначний фотострум у таких фотоелементів (навіть при яскравому освітленні фотострум насичення дорівнює 10^-6 А) потребує підсилення. Дуже ефективним підсилювачем фотоструму є так званий фотопомножувач Кубецького. Для підсилення фотоструму Кубецький використав явище вторинної електронної емісії на серії послідовно розміщених електродів-емітерів (рис. 7), між якими створюється прискорюючи для електронів електричне поле. Кожний електрон, що вибивається світлом з катода К, прискорюється електричним полем і при попаданні на перший емітер 1 вибиває з нього кілька електронів.

Рис. 7. Фотоелектронний помножувач Кубецького

Ці електрони знову прискорюються і, попадаючи на наступний емітер 2, збільшують загальний потік електронів і т. п. З анода А знімається вже підсилений струм

(1)

де i₀ – фотострум на першому емітері;

п – кількість емітерів;

– коефіцієнт підсилення.

Фотоопори — прилади, дія яких ґрунтується на зміні опору напівпровідника під дією світла. У цьому разі електрони не звільняються з речовини, а лише переходять із заповненої зони в зону провідності, збільшуючи електропровідність напівпровідника. Електропровідність, що виникає під дією світла, називається фотопровідністю. Проте не будь-яке світло може спричинити фотопровідність, а лише те, енергія фотонів якого не менша від ; під розуміють енергію активації або ширину забороненої зони.

Виготовляють фотоопори або з чистих напівпровідників, або з напівпровідників з домішками. Найчастіше застосовують для цього сульфат свинцю (фотоопори ФС-А), сульфат кадмію (ФСК-М), сульфід кадмію (ФМ-К) тощо. Фотоопори, як і інші фотоелементи, характеризуються селективним сприйманням світла, тобто в них світло однакової інтенсивності, але різної довжини хвилі зумовлює неоднакові струми. Так, наприклад, для фотоопору ФС-А, який використовують для роботи в інфрачервоній частині спектра, максимум чутливості припадає на довжину хвиль 2,1—2,7 мкм, для фотоопору ФС-52 — на довжину хвилі 0,52 мкм.

Рис. 8. Будова та схема ввімкнення напівпровідникового фотоопору

Будову фотоопорів зображено на рис. 8. На ізолюючу підкладку 1 наносять напівпровідник 2, на його краях шляхом вакуумного термічного напилення формують металеві електроди 3. Ці електроди забезпечують з напівпровідником надійний електричний контакт. Для захисту від шкідливого впливу навколишнього повітря фоточутливу поверхню фотоопору покривають прозорою плівкою лаку.

Особливістю фотоопорів є відсутність полярності, тобто вони однаково проводять струм в обох напрямах (оскільки випрямляючий p-n – перехід в фотоопорах відсутній). Вольт-амперна характеристика їх відрізняється відсутністю струму насичення; вона лінійна.

Фотоопори мають велику чутливість (в 10⁵ раз більшу, ніж фотоелементи із зовнішнім фотоефектом); їх можна використовувати в порівняно потужних колах, причому строк служби практично необмежений.

На рис. 9 подано просту схему фотореле. Якщо світловий потік падає на фотоопір, то в колі І проходить такий струм, що електромагніт у цьому колі утримує залізний якір К₁ і ключ К₂ в колі II розімкнути.

Рис. 9. Електрична схема фотореле на базі фотоопору

Якщо ж якесь тіло, що рухається, наприклад, на конвеєрі, перекриє світловий потік, то струм у колі І знизиться, пружина П відірве якір К₁ від електромагніту і замкне ключ К₂; у колі II почнуть працювати увімкнені прилади: дзвінок, сигнальна лампочка, лічильник тощо.

Вентильні фотоелементи — це прилади, в яких є. р. с. виникає під дією світла. Істотну роль при цьому відіграє електричне поле запірного шару. Нагадаємо, що запірний шар виникає на межі двох напівпровідників з різним типом провідності, тобто на р-n -переході. Він є результатом дифузії дірок в область n -напівпровідника та електронів в область p -напівпровідника. З цих причин на запірному шарі в напрямі
п → р утворюється електричне поле між позитивно зарядженими іонізованими атомами (іонами) донорних домішок в п напівпровіднику, та негативними іонами акцепторних домішок в p -напівпровіднику.

Відомо, що при освітленні напівпровідника (за умови, що енергія падаючих на напівпровідник фотонів більша ширини забороненої зони) в останньому утворюватимуться пари електрон-дірка. Якщо ці пари носіїв струму виникатимуть поблизу запірного шару, то під дією електричного поля n-p переходу вони розділятимуться і спричинятимуть певну різницю потенціалів на електродах та створюватимуть у колі фотоелемента струм.

Найефективнішими є селенові, сірчистосрібні – ФЕСС, кремнієві і германієві фотоелементи.

Рис. 10. Схема вентильного фотоелементу

Розглянемо технологію виготовлення вентильних фотоелементів (рис. 10). Спочатку з металевої пластинки, товщиною 1 – 2 мм, штампують круглий диск 6 – підкладку. На неї випаровуванням у вакуумі наносять шар напівпровідника 5 (0,1 мм завтовшки), після чого цю основну частину фоторелемента піддають термічній обробці. Мета цієї обробки – утворити р-n -перехід. Якщо р-n -перехід утворюється біля підкладки, то при нанесенні на напівпровідник верх

нього електрода беруть метал, на межі з яким запірний шар не утворюється. Можна матеріали для підкладки 6 і верхнього електрода 2 вибрати такі, що запірний шар 4 буде утворюватися біля верхнього металевого електрода. Верхній електрод роблять напівпрозорим (способом випаровування або катодного розпилення), щоб крізь нього в напівпровідник проходило світло. Зовнішню поверхню елемента покривають лаком з метою захисту його від дії повітря і вологи. Весь фотоелемент кріпиться в пластмасовому корпусі 1; 7 – вивідні клеми.

Вентильні фотоелементи мають велике майбутнє як один із засобів безпосереднього перетворення світлової енергії в електричну. Вже тепер виготовляють кремнієві фотоелементи, що мають ККД 11 – 15 %; за теоретичними розрахунками його можна підвищити до 22 %. Ці фотоелементи в батареях використовуються на штучних супутниках і космічних кораблях як джерела живлення радіоапаратури, у вимірювальній техніці, в автоматиці тощо.

Джерела:

Картинки “Оптика”:

https://www.google.ru/search?q=%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82&newwindow=1&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=obp8Uq6dA4mt7QbvyYH4Dw&ved=0CDEQsAQ

Відео в Youtube:

http://www.youtube.com/watch?v=lplG02G4Ceg

Фотоефект та його види:

http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квантовая%20оптика.%20Атомная%20и%20ядерная%20физика.%20Физика%20элементарных%20частиц/02-1.htm

Дата добавления: 2014-01-11