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

Фотоелементиз 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 К₁і ключ К₂в 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 К₁від 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 пнапівпровіднику, 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 6і верхнього електрода 2вибрати такі, що запірний шар 4буде 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