Светодиодный мир нашего века
О светодиодах применяемых в нашей жизни, автомобилях и технике, устройство, характеристика, подключение светодиода, история будущее.
Рекламодателям и Исполнителям заданий
воскресенье, 24 февраля 2013 г.
Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (изо) имеет стеклянную колбу 2 , в которой создан вакуум (в вакуумном фотоэлементе) или после откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком давлении — в ионных фотоэлементах).
Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения светового потока 1 , покрыта фотокатодом 3 , который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
Анод 4 фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе 5 , в нижней части которого находятся контактные штырьки 6 с выводами от анода и катода.
Под действием приложенного напряжения U источника питания между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле, и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду.
У электронного фотоэлемента фототок сначала быстро растет при увеличении напряжения, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается, т. е., наступает режим насыщения (изо, а ).
Для ионных фотоэлементов анодная вольт амперная характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх вследствие ионизации газа (изо, б ).
В процессе работы фотоэлементов их параметры со временем изменяются, т. е. проявляется свойство их «утомляемости».
Обычно фотоэлементы используют совместно с ламповыми или транзисторными усилителями вследствие малого значения фототока, который может быть получен от фотоэлемента.
Реферат «Фотоэлементы и их применение» (11 класс)
Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. [1]
В системах автоматизации, сигнализации, наблюдения и контроля применяются датчики всевозможных типов: герконовые, резистивные, емкостные, индуктивные, термические, сенсорные, контактные, микроволновые и многие другие, однако чаще всего используются датчики, включающие в себя фотоэлементы. Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать
условия жизни человека.
Интерес в подготовке данного исследовательского проекта вызван желанием узнать,что такое фотоэффект и какое практическое применение нашел фотоэффект в технике.
Цель: изучить явление фотоэффекта и его применение.
1. изучить теоретический материал фотоэффекта;
2. изучить виды фотоэлементов;
3. обобщить применение фотоэлементов
Гипотеза: на основе полученных знаний можно объяснить принцип действия «видящих» автоматов, солнечных электростанций.
Методы исследования: сбор информации, обобщение.
1. История открытия фотоэффекта
В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн — парой металлических шаров; при приложении разности потенциалов между ними проскакивала искра. Когда же он освещал один из шаров ультрафиолетовыми лучами, разряд усиливался. Таким образом, был обнаружен внешний фотоэффект.
В 1888 г. Вильгельм Гальвакс установил, что облучённая ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим, не зная об опытах Герца и Гальвакса, его наблюдал в том же году итальянец Аугусто Риги. Он выяснил, что фотоэффект возможен и в металлах, и в диэлектриках. Александр Григорьевич Столетов был четвёртым учёным, независимо от других открывшим фотоэффект. Он два года исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения сначала растёт по мере повышения разности потенциалов, но, достигнув определённого значения (ток насыщения), уже не увеличивается.
В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставалось, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.
Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную картину. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями — оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций — световых квантов (фотонов). Поэтому для возникновения фотоэффекта важна отнюдь не интенсивность падающего светового пучка. Главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода А. В итоге Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта.
Ясно, что фотоэффект может вызывать только световая волна достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества. В 1907 г. Эйнштейн сделал ещё одно уточнение квантовой гипотезы. Почему тело излучает свет только порциями? А потому, отвечал Эйнштейн, что атомы имеют лишь дискретный набор значений энергии. Таким образом, теория излучения и поглощения приняла законченный вид.
В 1922 г. американец Артур Комптон обнаружил, что длинна волны рентгеновского излучения изменяется при рассеянии на электронах вещества. Но, по классической электродинамике, длина световой волны при рассеянии меняться не может! Тогда Комптон выполнил расчёт, предположив, что на электронах рассеиваются не волны, а частицы (фотоны). Результат совпал с экспериментальным. Это стало прямым доказательством реальности существования фотонов.
Где используются фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление, или э. д. с.) изменяются под действием падающего на него светового излучения.
В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы делятся на три класса.
Вакуумные, или электронные фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме.
Газонаполненные или ионные фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа.
Полупроводниковые — в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость элементов или создают э. д. с.
В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.
Внешний фотоэффект, называемый иначе фотоэлектронной эмиссией, как указывалось (§ 13-4), заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).
В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект.
Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов — свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.
В полупроводниковых фотоэлементах — фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения э. д. с. в -переходе вследствие разделения полем перехода электронно-дырочных пар, возникающих под действием падающего на переход светового потока.
Фотодиоды могут работать или в режиме с источником внешнего напряжения или в режиме без источника питания, сами являясь источниками э. д. с.
Наиболее распространенными электронными фотоэлементами являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.
Рис. 18-1. Электронный фотоэлемент и его условное обозначение.
Рис. 18-2. Схема включения фотоэлемента.
Электронный кислородно-цезиевый фотоэлемент (рис. 18-1) состоит из стеклянной колбы, в которой создан вакуум. Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения света в колбу, покрывается слоем серебра (подложка), на который наносится полупроводниковый слой окиси цезия — катод фотоэлемента К. У сурьмяно-цезиевых вакуумных фотоэлементов подложка выполняется из сурьмы, на которую наносится полупроводниковый слой.
Анод А в фотоэлементах изготовляется в виде кольца, так как он не должен преграждать путь световому потоку к катоду.
Ионные фотоэлементы изготовляются только кислородно-цезиевыми. Они отличаются от электронных только тем, что колба после откачки воздуха заполняется аргоном при низком давлении.
Соединив фотоэлемент с сопротивлением нагрузки и источником питания (рис. 18-2), получим на фотоэлементе анодное напряжение а между анодом и катодом электрическое поле.
Если через окно фотоэлемента на его катод будет падать световой поток, то эмиттированные электроны под действием сил поля будут перемещаться от катода к аноду. Таким образом, в цепи установится фототок, который будет проходить в течение всего времени освещения катода. Зависимость фототока от светового потока Ф при неизменном напряжении источника э. д. с., т. е.
называется световой характеристикой
Рис. 18-3. Световые характеристики: а — электронного фотоэлемента; б — ионного фотоэлемента.
Для электронного фотоэлемента она линейна (рис. 18-3, а):
Для ионного фотоэлемента она нелинейна (рис. 18-3, б).
В ионном фотоэлементе ионизация электронами атомов газа увеличивает поток электронов, т. е. увеличивает ток фотоэлемента. Отношение тока усиленного за счет ионизации газа к первичному электронному фототоку называется коэффициентом газового усиления
Чем больше газа введено в фотоэлемент, тем больше коэффициент КТ. Обычно он равен 4—6.
Одним из важных параметров фотоэлемента является его интегральная чувствительность, представляющая собой отношение фототока, выраженного в микроамперах к световому потоку белого света, выраженному в люменах (лм), получаемому от стандартного источника света.
Для электронных фотоэлементов она составляет 20— 120 мкА/лм, а для ионных 150-250 мкА/лм.
Фотоэлектронная эмиссия, а следовательно, и фототок фотоэлемента зависит от длины волны к светового излучения (§ 13-4), поэтому, кроме интегральной чувствительности, пользуются понятием спектральной чувствительности.
Рис. 18-4. Спектральные характеристики электронных фотоэлементов.
Спектральной чувствительностью называют отношение фототока к световому потоку заданной длины волны т. е.
Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего на фотоэлемент светового потока постоянной величины называется спектральной характеристикой элемента, т. е.
Из рис. 18-4 видно, что у сурьмяно-цезиевого фотоэлемента селективный максимум находится в области голубых и зеленых лучей (А, = 0,4 — 0,5 мкм).
У кислородно-цезиевого элемента имеется два селективных максимума при мкм и при мкм.
Вольт-амперные характеристики (рис. 18-5) электронного фотоэлемента, выражающие зависимость
нелинейны. При увеличении напряжения фототок сначала растет быстро, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается (режим насыщения).
У вольт-амперных характеристик. (рис. 18-6) ионных фотоэлементов при увеличении анодного напряжения после горизонтального участка, кривая поднимается вследствие ионизации.
Рис. 18-5. Вольт-амперные характеристики электронного фотоэлемента.
Рис. 18-6. Вольт-амперные характеристики ионного фотоэлемента.
Одним из свойств фотоэлементов является их утомляемость, т. е. изменение параметров в зависимости от времени эксплуатации.
Вследствие малой величины фототока, который можно получить от фотоэлемента (порядка нескольких микроампер), они обычно применяются совместно с ламповыми или полупроводниковыми усилителями.
Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, телевидения, звукового кино, измерительной техники и т. д.
Простейшие схемы применения фотоэлементов рассмотрены в § 18-4.
Фотоэлектронный умножитель это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, фототок которого усиливается за счет вторичной электронной эмиссии,
В стеклянном баллоне (рис. 18-7), кроме катода К и анода А, расположен ряд вторичных катодов—эмиттеров 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 — эмиттер излучает вторичных электронов больше первичных электронов, его бомбардирующих.
Рис. 18-7. Схема фотоэлектронного умножителя и его обозначение.
Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии имеющим значение 3—4. Таким образом, выходной ток фотоэлектронного умножителя с вторичными катодами будет но максимальный выходной ток фотоэлектронного умножителя не превышает десятков миллиампер.
Чувствительность фотоэлектронного умножителя достигает Фотоэлектронные умножители применяются для измерения малых световых потоков примерно до
Отечественная промышленность выпускает фотоэлектронные умножители с различным числом ступеней (ФЭУ-1 — ФЭУ-19).
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. Внеш ний вид фотоэле мента 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 фото элемента 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 со стоит 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 rс создает 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.