Фотоэлементы. Электровакуумные фотоэлементы

фотоэлеме́нт

прибор, в котором под действием падающего на него света возникает электродвижущая сила (фотоЭДС) или электрический ток (фототок). Различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используют их в автоматической контрольной и измерительной аппаратуре. Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами – фотокатодом и анодом, помещёнными в вакуумированный или наполненный газом стеклянный баллон. Фотокатодом служит фоточувствительный слой, нанесённый на участок стеклянной оболочки баллона либо на поверхность металлической пластинки внутри баллона. Анод выполняется в виде металлического кольца или сетки. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода. При замыкании электрической цепи фотоэлемента в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал А. Г. Столетов в 1887 г. Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом. При замыкании внешней электрической цепи полупроводникового фотоэлемента через нагрузку начинает протекать электрический ток, пропорциональный световому потоку. Фотоэлементы служат приёмниками оптического излучения, в т. ч. видимого света. Полупроводниковые фотоэлементы используют также для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях (напр., на космических станциях), в фотоэлектрических генераторах.

Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента Iф = f(uа) при Ф = const, изображенные на рис. 22.2, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2,б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12. Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость Iф = f(Ф) при Ua = const, показаны на рис. 22.3. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 22.4 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Рис. 22.2. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента

Рис. 22.3. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Рис. 22.4. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором RH (рис. 22.5). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.

Основные электрические параметры фотоэлементов - чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен мкА на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10-10 А, а токи утечки — 10-7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.

Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.

Дата добавления: 2015-11-04