Фотоэлектронные приборы
Фотоэлектронные приборы — это электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы.
Электромагнитное излучение представляет собой волну с частотой v или длиной X. Также его можно представить в виде потока частиц — фотонов (квантов электромагнитного излучения, в «узком» смысле — света), каждый их которых обладает энергией
где h — постоянная Планка (h = 6,63-10“ 34 Дж).
Видимая область спектра электромагнитного излучения находится в диапазоне волн 0,38—0,78 мкм. Этой области спектра соответствует энергия фотонов от 3,3 до 1,6 эВ.
Принцип действия фотоэлектронных приборов основан на электрических процессах, протекающих в приборах в результате поглощения электромагнитного излучения. Попадая на поверхность твердого тела, фотоны отдают свою энергию электронам вещества. При малой энергии фотонов тело нагревается. Если энергия фотонов превышает некоторое значение, энергия электронов в твердом теле изменяется. Электроны, получившие дополнительную энергию, могут покинуть пределы твердого тела или перейти на более высокие энергетические уровни, например из валентной зоны в зону проводимости. Испускание электронов с поверхности твердого тела под действием падающего на нее электромагнитного излучения, наблюдающееся в первом случае, называется фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэлектрическим эффектом. Внешний фотоэффект подчиняется закону Столетова: фототок / пропорционален световому потоку Ф:
где 5 — чувствительность фотокатода.
При переходе электронов, получивших дополнительную энергию, на более высокие энергетические уровни увеличивается количество подвижных носителей зарядов, а следовательно, и электропроводность тела. Изменение электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового или рентгеновского) называется фотопроводимостью. Образование пар зарядов (электрон-дырка) при поглощении лучистой энергии (энергии излучения электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне волн) может изменить также характер процессов вблизи электронно-дырочного перехода: увеличить ток через потенциальный барьер или привести к появлению дополнительной разности потенциалов.
Явление возникновения ЭДС на внешних выводах полупроводникового прибора при воздействии на него электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом.
2.2.2. Устройство и принцип действия фотоэлементов
Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 2.28, а. В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А. Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода смонтированы на нижнем цоколе.
Рис. 2.28. Устройство (а) и схема (J) включения фотоэлемента
При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении Rn падение напряжения. При изменении светового потока изменяется величина тока и, следовательно, выходное напряжение І7 .
Устройство газонаполненного фотоэлемента аналогично устройству вакуумного. Разница заключается в том, что стеклянный баллон наполнен нейтральным газом. При освещении катода электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Остатки атомов — положительные ионы — летят к катоду. В результате общее количество электронов, летящих к аноду (фототок), получается большим, чем в вакуумном фотоэлементе.
В полупроводниковом фотоэлементе под действием падающего на него излучения возникает фотоЭДС.
Работа полупроводникового фотоэлемента основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями (/? и п).
Рис. 2.29. Подключение
резистора к р— «-переходу
Если к освещенному р— «-переходу подключить резистор RH (рис. 2.29), то по резистору потечет фототок, создаваемый движением через переход неосновных носителей, и на резисторе возникает падение напряжения (плюсом к р-области). Падение напряжения приводит к возникновению через переход прямого тока, направленного навстречу фототоку.
Кроме фотоэлектронной эмиссии в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект — перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Изменение энергетического состояния электронов приводит к изменению концентрации носителей зарядов в среде. На использовании явления внутреннего фотоэффекта основана работа фоторезисторов, фотодиода, фототранзистора.
Фоторезистор — двухполюсный полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока.
Фоторезисторы используются для формирования электрических сигналов под действием электромагнитного излучения.
Устройство фоторезистора показано на рисунке 2.30, а. Пленка 2 из полупроводникового материала (сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмут и т. д.) закреплена на диэлектрической подложке 3. Подложку изготавливают из стекла, кварца или керамики. Световой поток Ф попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. Электроды 1 обеспечивают хороший контакт с полупроводником. Они изготавливаются из благородных металлов — золота, платины, и поэтому не подвержены коррозии. Поверхность полупроводника покрывают защитным слоем прозрачного лака. На рисунке 2.30, б приведена схема включения фоторезистора. При отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника, значение которого весьма мало и зависит от величины темнового сопротивления. Темновое сопротивление может принимать значения в диапазоне 10 2 —10 10 Ом. Наибольшим темновым сопротивлением обладают фоторезисторы, выполненные из сернистого кадмия.
Рис. 2.30. Устройство (а) и схема (0 включения фоторезистора
При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды — электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает. Разность между световым /св током и темновым / токами называется фототоком-.
Ц = 4 — 4
Значение фототока / зависит от величины лучистого потока Ф и его спектрального состава. Зависимость /ф = /(Ф) называется энергетической характеристикой фоторезистора. Она носит нелинейный характер, что является одним из недостатков фоторезисторов.
Важным параметром фоторезисторов является пороговый световой поток Фп — минимальный поток излучения, который вызывает появление в цепи фоторезистора электрического напряжения, превышающего в 2—3 раза шумовое напряжение.
Существенным недостатком фоторезисторов является их большая инерционность, обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора.
Фоторезисторы широко применяются в автоматике, вычислительной технике и промышленной электронике. В частности, фоторезисторы используют для сортировки изделий по их окраске, размерам или каким-нибудь другим признакам. Внешний вид некоторых типов фоторезисторов представлен на рисунке 2.31.
Рис. 2.31. Внешний вид фоторезисторов
Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности р— «-перехода.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: в режиме фотогенератора (фотоэлемента) без внешнего источника питания и в режиме фотопреобразователя с внешним источником.
Рис. 2.32. Устройство фотодиода
Режим фотогенератора основан на использовании фотогальванического эффекта, поэтому при освещении неоднородного полупроводника на его зажимах образуется разность потенциалов.
Фотодиоды образованы двумя примесными полупроводниками с различными типами электропроводности. Конструктивно фотодиоды выполнены таким образом, что световой поток падает на плоскость р—«-перехода под прямым углом (рис. 2.32).
При отсутствии светового потока в области ^—«-перехода существует контактная разность потенциалов, образующая потенциальный барьер с напряжением U. Условием возникновения потенциального барьера является взаимная диффузия электронов в p-область и дырок в «-область.
При освещении р—«-перехода фотоны, попавшие на полупроводники, образуют пары свободных зарядов электрон-дырка. В результате в областях р- и «-типов увеличивается концентрация свободных электронов и дырок соответственно.
Под действием электрического поля, обусловленного контактной разностью потенциалов UK, неосновные носители р-области — электроны — переходят в «-область, а неосновные носители «-области — дырки — в p-область. В результате этого процесса в «-области возникает избыток электронов, а в р-области — избыток дырок. Таким образом, на зажимах фотодиода возникает фотоЭДС Еф, равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В.
При замыкании освещенного фотодиода на внешнюю нагрузку RH (рис. 2.33) в цепи возникает ток I, обусловленный движением неосновных носителей зарядов. Следовательно, в данной схеме происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.
Фотодиоды, работающие в генераторном режиме, широко используются в качестве источников, преобразующих солнечную энергию. Такие источники именуют фотоэлементами, или солнечными элементами. Из них строят солнечные батареи, которые используют на космических объектах в качестве электростанций. Фотоэлементы отличаются от фотодиодов только конструктивными особенностями.
Фотодиоды и фотоэлементы изготовляют из германия, кремния, селена, сернистого серебра, арсенида индия и т. д.
В режиме фотопреобразователя в цепь последовательно с нагрузкой включают источник напряжения в запирающем направлении (рис. 2.34).
Рис. 2.33. Схема включения фотодиода в генераторном режиме
Рис. 2.34. Схема включения фотодиода в преобразовательном режиме
Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит темновой ток. При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок. Под действием электрического поля источника Е неосновные носители слоев р- и л-типа полупроводника создают в цепи ток, значение которого практически определяется только световым потоком Ф и приблизительно равно току короткого замыкания в генераторном режиме.
Фотодиоды широко применяются в промышленности: в вычислительной технике, регистрирующих и измерительных приборах, фотометрии, киноаппаратуре, системах автоматизации производственных процессов и т. д.
Внешний вид некоторых типов фотодиодов представлен на рисунке 2.35.
Рис. 2.35. Внешний вид фотодиодов
Фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя ^—«-переходами, ток которого увеличивается за счет подвижных носителей заряда, образующихся при облучении прибора светом.
По своей конструкции фототранзистор отличается от обычного транзистора только прозрачным окном в корпусе (рис. 2.36, а), через которое световой поток падает на пластину полупроводника, являющуюся базой фототранзистора (рис. 2.36, б).
Рис. 2.36. Внешний вид (а) и устройство (б) фототранзистора:
1 — база; 2 — эмиттер; 3 — коллектор
В центре базы расположен коллекторный переход, созданный путем наплавления. Возможны и другие варианты расположения кольцеобразный коллектор на освещаемой
электродов, например поверхности базы.
Рис. 2.37. Схема фототранзистора
Схема включения фототранзистора приведена на рисунке 2.37. Фототранзистор включен по схеме с общим эмиттером и отключенной базой. Эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. При этом фототранзистор находится в активном режиме, но ток через него при отсутствии я светового потока имеет очень малые зна
чения, так как при отсутствующем выводе базы заряд дырок, инжектированных из эмиттера, не компенсируется полностью электронами базы. Некомпенсированный объемный заряд дырок поддерживает уровень потенциального барьера на эмиттерном переходе, и в цепи коллектора фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, протекает темновой ток.
При освещении фототранзистора в результате собственного поглощения в базе возникают электронно-дырочные пары. В случае р—п—р-транзистора дырки, являющиеся неосновными носителями, диффундируют к коллекторному переходу и выбрасываются в коллектор, увеличивая фототок / проходящий по нагрузке Лп. Образовавшиеся электроны — основные носители базовой области — не могут покинуть базу, так как базовый вывод отключен. Концентрируясь в базе, электроны увеличивают отрицательный объемный заряд, в том числе и у эмиттерного перехода. Это приводит к снижению потенциального барьера и развитию диффузионного потока дырок из эмиттера в базу. Дырки, диффундируя в толще базы, подходят к коллекторному переходу и выбрасываются полем этого перехода в коллектор. В результате происходит увеличение тока в коллекторной цепи. Таким образом, процессы, протекающие в фототранзисторе, аналогичны процессам в обычном биполярном транзисторе.
Фототранзисторы широко применяются в различных областях: фототелеграфии, фототелефонной связи, вычислительной технике, регистрации видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
Фототиристор — четырехслойный полупроводниковый прибор, управляемый световым потоком.
Как и в обычном тиристоре, в фототиристоре световой поток влияет на напряжение прямого включения. При попадании на одну из баз в ней происходит фотоионизация, и в результате образуются дополнительные носители заряда, которые и способствуют открыванию фототиристора. Чем больше световой поток, тем меньшее значение напряжения прямого включения требуется для открывания фототиристора.
Основным достоинством фототиристора является отсутствие электрической связи между цепью управления и коммутируемой цепью.
Фототиристоры широко применяются в системах автоматики и управления для включения электрических цепей по световому сигналу.
Солнечные фотоэлементы (рис. 2.38) работают следующим образом.
Рис. 2.38. Устройство солнечного фотоэлемента:
- 1 — свет; 2 — ток; 3 — внутренний электрод; 4 — Р-кремний (В-);
- 5 — N-кремний (Р+); 6— антибликовое покрытие; 7
На полупроводник л-типа, расположенный в верхнем слое структуры, падают солнечные лучи и выбивают электроны с их атомарных орбит. За счет дополнительного энергетического импульса они переходят в полупроводник />-типа и формируют направленный поток. Ширину зоны перехода подбирают небольшой, чтобы электроны смогли ее преодолеть. В физическом смысле такая двухслойная структура представляет собой электродный элемент для солнечных батарей, причем в роли катода выступает полупроводник л-типа, а в роли анода — полупроводник p-типа. Для снятия фототока к полупроводниковым пластинам припаивают тонкие проводники и нагрузку.
В качестве полупроводников р- и «-типа применяют главным образом кремний с разными добавками. Кремний очень легко до бывать и обрабатывать в промышленных масштабах без особых затрат. По этой причине, несмотря на кажущуюся невысокую эффективность таких солнечных батарей (КПД около 20 %), для массового производства применяют именно это вещество. Фотоэлементы на основе других соединений отличаются большим КПД (свыше 40 %), но их массовое изготовление пока нерентабельно.
На основе кремния выпускаются элементы солнечных батарей трех типов: из поли-, монокристаллов и на тонких пленках.
Фотоэффект в физике и его применение — формулы и определение с примерами
На основе волновой теории света можно предположить, что:
- – свет любой длины волны должен вырывать электроны из металла;
- – на вырывание электрона из металла требуется определенное время;
- – число вырванных электронов и их энергия должны быть пропорциональны интенсивности света.
Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) – русский физик. Исследовал внешний фотоэффект, открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние, получил кривую намагничивания железа.
Современная установка для исследования фотоэффекта
Современная установка для изучения фотоэффекта представляет собой два электрода, помещенных в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (рис. 210). На один из электродов через кварцевое «окошко» падает свет. В отличие от обычного стекла кварц пропускает ультрафиолетовое излучение. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду К − катоду подсоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света катод испускает электроны, которые направляются электрическим полем к аноду, создается электрический ток. Значение силы тока фиксируется миллиамперметром.
Законы фотоэффекта Столетова
Исследования, проведенные русским ученым А.Г. Столетовым и немецким ученым Ф. Ленардом, показали, что законы фотоэффекта не соответствуют классическим представлениям.
На рисунке 211 представлена вольтамперная характеристика, полученная в результате измерений при различных значениях напряжения между электродами.
Из графика следует, что:
1. Сила фототока не зависит от напряжения, если оно достигает некоторого значения 
Максимальное значение силы тока 
называют током насыщения.
Сила тока насыщения − это максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами за единицу времени:
где n − число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е − заряд электрона.
2. Сила фототока отлична от нуля при нулевом значении напряжения.
3. Если изменить направление электрического поля, соединив катод с положительным полюсом источника тока, а анод − с отрицательным, то скорость фотоэлектронов уменьшится, об этом можно судить по показаниям миллиамперметра: сила тока уменьшается при увеличении отрицательного значения напряжения. При некотором значении напряжения 
который называют задерживающим напряжением, фототок прекращается. Согласно теореме об изменении кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:
При известном значении можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
Исследование фотоэффекта при освещении катода световыми потоками равной частоты, но различной интенсивности дал результат, представленный вольтамперными характеристиками, изображенными на рисунке 212.
Сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света.
Вспомните! Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
Величина запирающего напряжения от интенсивности света не зависит, для всех потоков она имеет одно и то же значение.
Освещение катода светом одной и той же интенсивности, но разной частоты дало серию вольтамперных характеристик, представленных на рисунке 213. Как следует из графиков, величина задерживающего напряжения 
увеличивается с увеличением частоты падающего света, при уменьшении частоты падающего света уменьшается, и при некоторой частоте 
задерживающее напряжение равно нулю: 
При меньших частотах 
фотоэффект не наблюдается.
Минимальную частоту падающего света 
, при которой еще возможен фотоэффект, называют красной границей фотоэффекта.
На основании экспериментальных данных Столетовым были сформулированы законы фотоэффекта:
- Сила фототока прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
- Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света
(максимальная длина 
), при которой возможен фотоэффект, если 
то фотоэффект не происходит.
Квантовая теория фотоэффекта
Теоретическое обоснование фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном. Он предположил, что свет не только излучается квантами, как утверждал М. Планк, но и распространяется и поглощается порциями, представляет собой поток частиц − фотонов, энергия которых равна 
Сам фотоэффект состоит в том, что световые частицы, сталкиваясь с электронами металла, передают им свою энергию и импульс и сами при этом исчезают. Если энергия квантов падающего света больше той работы, которую электрон должен совершить против сил притяжения к положительно заряженным частицам вещества, то электрон вылетает из металла. Становится понятным смысл красной границы фотоэффекта: для вырывания электрона из металла энергия квантов должна быть не меньше, чем 
Эта энергия и равна работе выхода электрона из данного металла. В случае, когда энергия падающих квантов больше работы выхода, максимальная кинетическая энергия электронов равна разности энергии фотона и работы выхода:
Это и есть формула Эйнштейна для фотоэффекта. Обычно ее пишут в виде:
Зависимость силы фототока от интенсивности света Эйнштейн объяснил следующим образом: число вылетающих в единицу времени электронов пропорционально интенсивности света, поскольку интенсивность определяется числом квантов, испускаемых источником в единицу времени. Мощная лампа испускает больше квантов, следовательно, число вырванных электронов светом такой лампы будет больше, чем светом менее мощной лампы.
Энергия вылетающих электронов зависит не от силы света лампы, а от того, какой частоты свет она испускает, от этого зависит энергия фотона и кинетическая энергия фотоэлектрона.
Фотоны, энергия, масса и импульс фотона
Фотон – это частица света. Он не делится на части: испускается, отражается, преломляется и поглощается целым квантом. У него нет массы покоя, неподвижных фотонов не существует.
Энергия фотона
− постоянная Планка, 
циклическая частота.
Масса фотона
Массу фотона определяют, исходя из закона о взаимосвязи массы и энергии:
Измерить массу фотона невозможно, ее следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.
Импульс фотона
Фотон – частица света, следовательно, ее импульс равен:
Применение фотоэффекта в технике
Фотоэлементы:
Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Устройство фотоэлемента изображено на рисунке 214. Внутренняя поверхность К (катод) стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем с небольшим прозрачным для света участком для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А (анод). От электродов 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.
Фотоэлементы используют для автоматического управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
Фотореле:
Фотоэлектрическое реле срабатывает при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 215). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока 
а на транзистор − от источника тока 
Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор R, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.
Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер – база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах.
Пример решения задачи
Определите постоянную Планка h, если известно, что электроны, вырываемые из металла светом с частотой 
Гц, полностью задерживаются разностью потенциалов 
а вырываемые светом с частотой 
− разностью потенциалов 
Дано:
Решение: Запишем уравнение Эйнштейна для электрона, вырванного из металла светом с частотами 
соответственно: 
Вычитая первое равенство из второго, получим 
откуда 
Выполним расчеты: 
Ответ: h = 6,6 · 10 –34 Дж · с.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
A. Применение фотоэффекта
Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 19.6). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, по крыта 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 к 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, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 19.7, а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E1, а на транзистор — от источника тока Е2. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор Я, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.
Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер — база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном деле в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).
С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, за-писанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).
Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 19.7, б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света, попадают на эмиттер Э1, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э1. Из эмиттера Э1 выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э2 и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 10 6 , т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.
На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление (рис. 19.8) — это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по 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 19.8 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем (вентильным фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника 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. Такие фото-элементы являются основной частью люксметров — приборов для измерения освещенности, а также фотоэкспонометров.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 561-564.
БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам.
01.06.2014
Фотоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы)
Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях, вызываемых действием лучистой энергии. По характеру действия светового потока на фотоэлектронный прибор различают приборы с фотоэффектом: внутренним — на основе полупроводников, в которых под действием фотонов происходит генерация носителей зарядов — электронов проводимости и «дырок»; внешним, у которых под действием светового потока возникает фотоэлектронная эмиссия.
К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.
Что такое фоторезисторы?
Фоторезисторы обладают свойством изменять свою электропроводность под действием светового потока. Материалом для фоторезисторов служат селен, сернистый свинец, сернистый кадмий, сернистый висмут и другие полупроводники. Для изготовления фоторезистора на изоляционную пластину методом напыления наносят слой полупроводника, на который, в свою очередь, наносят слой металла (платины, золота) в виде двух гребенок.
Непосредственный контакт между гребенками отсутствует, в результате между зубцами гребенок оказывается слой светочувствительного полупроводника. При освещении слоя полупроводника увеличивается число электронов, переходящих в зону проводимости, увеличивается электропроводность, вследствие чего изменяется сопротивление между напыленными участками металла.
Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейные. На рис. 1 показаны устройство фоторезистора (вид а), схема его включения (вид б) и вольт-амперная характеристика (вид в). В условном обозначении фоторезисторов имеются буквы русского алфавита — ФС.
Что такое фотодиоды?
Фотодиоды — полупроводниковые приборы, в основу действия которых положено свойство электронно-дырочного перехода изменять обратное сопротивление под действием светового потока. На рис. 2 показаны устройство (вид а) и схема включения (вид б) фотодиода. Когда фотодиод не освещен, в цепи резистора R проходит обратный ток очень небольшой величины.
При освещении фотодиода увеличивается число «дырок» в области полупроводника с электронной проводимостью. При включении напряжения эти «дырки» проходят через электронно-дырочный переход, вызывая увеличение тока в цепи нагрузки.
Фотодиоды могут работать в двух режимах: режим А характеризуется отсутствием внешнего источника напряжения, фотодиод работает как вентильный фотоэлемент; режим В характеризуется работой фотодиода с внешним источником напряжения и называется фотодиодным. При освещении фотодиода его ток возрастает за счет фототока приблизительно пропорционально освещенности.
В условном обозначении фотодиодов имеются буквы русского алфавита — ФД.
Что такое фототранзисторы?
Фототранзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя р — n — переходами. Облучению подвергается область базы. Под действием света в базовой области образуются свободные носители зарядов —электроны и «дырки». «Дырки», направляясь к коллекторному переходу, проходят в область коллектора и вызывают увеличение обратного тока Ir. Если напряжение между базой и эмиттером неизменно, то работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Такой фототранзистор не имеет вывода базы, но имеет повышенную чувствительность по сравнению с фотодиодом. Вывод базы в фототранзисторах используют для создания смещения, необходимого для получения линейной характеристики при измерении малых световых сигналов.
В условном обозначении фототранзисторов имеются буквы русского алфавита — ФТ.
Фотодиоды и фототранзисторы используют в качестве чувствительных элементов в системах телеконтроля, автоматических устройств, в аппаратуре считывания числового материала, фототелеграфии и т. д. Основной их недостаток — зависимость параметров от температуры.
Вентильные фотоэлементы представляют собой полупроводниковые устройства, в которых световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Они не требуют посторонних источников тока, так как сами являются ими.
Вентильный фотоэлемент состоит из металлической пластины, служащей одним электродом, со слоем полупроводника, поверх которого нанесен второй полупрозрачный электрод, чаще всего выполненный напылением слоя золота в вакууме. Запирающий слой образуется на границе полупроводникового слоя и полупрозрачного электрода.
В качестве полупроводникового материала применяют сернистые и селенистые соединения. Световая энергия, проникающая через полупрозрачный слой металла на электронно-дырочный переход, ионизирует атомы кристаллического полупроводника, создавая при этом новые пары носителей заряда— электроны и «дырки». Это приводит к образованию избытка «дырок» в слое р и избытка электронов в слое n. Разность потенциалов между слоями р и n вызывает ток, величина которого пропорциональна освещенности фотоэлемента.
Вентильные фотоэлементы применяют для изготовления солнечных батарей, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую. На судах вентильные фотоэлементы применяют в качестве датчиков в аппаратуре фотоэлектронной автоматики, в фотоэлектрических и релейных схемах. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом на судах не применяют.