Фотоэлемент - фотоэлектронный прибор, в к-ром в результате поглощения энергии падающего на него оптич. излучения
генерируется эдс (фотоэдс)или электрич. ток (фототок).
Ф., действие к-рого основано
на фотоэлектронной эмиссии (внеш. фотоэффекте), представляет собой электровакуумный
прибор с двумя электродами - фотокатодом и анодом (коллектором электронов),
помещёнными в вакууми-рованный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фо-токатодом
Ф. служит фоточувствит. слой, к-рый наносится либо непосредственно на участок
стеклооболочки, либо на металлич. слой (подложку), предварительно осаждённый
на стекло, либо на поверхность металлич. пластинки, смонтированной внутри баллона;
анод имеет вид металлич. кольца или сетки (рис. 1). Световой поток, падающий
на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании
цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорц. световому потоку (рис. 2, а). Для
улучшения временного разрешения и увеличения пика импульсов фототока катод и
анод Ф. обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3-3 мм, а их выводы
выполняют в виде отрезка коаксиальной или полосковой линии, согласованной
по волновому сопротивлению с нагрузкой. В газонаполненных Ф. в результате ионизации
газа и возникновения несамостоят. лавинного разряда фототок усиливается (напp.,
коэф. усиления при заполнении Аr составляет 6-8).
Рис. 1. Типичные конструкции
вакуумных фотоэлементов:
А - выводы анода; К - выводы фотокатода; ОК - выводы
металлического охранного кольца (устанавливается
для исключения попадания токов утечки на нагрузку).
Рис. 2. Схема фотоэлемента
с внешним (а)и внутренним ( б)фотоэффектом: К - фотокатод; А - анод; Ф - световой
поток; р и п -области полупроводника с донорной и акцепторной
проводимостями; Е-источник постоянного тока,
служащий для создания в пространстве между К и А электрического
поля, ускоряющего фотоэлектроны; Rн - нагрузка.
Пунктирной линией обозначен р - n-переход.
Наиб. распространение среди
Ф. с внеш. фотоэффектом получили вакуумные Ф. (ВФ) с сурьмяно-цезиевым, многощелочным
и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами. Применение газонаполненных Ф.
ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой
характеристики - зависимости фототока от падающего светового потока.
Ф., действие к-рого основано
на внутр. фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим
полупроводниковым переходом (р - п-перехо-дом), изотипным гетеропереходом или контактом металл- полупроводник (см. Контактные явления в полупроводниках). При поглощении оптич. излучения в таком Ф. (рис. 2,б) увеличивается
число свободных носителей заряда внутри полупроводника, к-рые пространственно
разделяются электрич. полем перехода (контакта). Избыток носителей заряда, возникающий
по обе стороны от потенц. барьера, создаёт в полупроводниковом Ф. (ПФ) разность
потенциалов, т. е. фотоэдс. При замыкании внеш. цепи ПФ через нагрузку начинает
протекать электрич. ток. В качестве материала для ПФ наиб. часто применяют Se,
GaAs, CdS, Ge и Si.
Ф. обычно служат приёмниками
оптич. излучения, в т. ч. приёмниками видимого света (ПФ в этом случае нередко
отождествляют с фотодиодами); ПФ используют также для прямого преобразования
энергии солнечного излучения в электрич. энергию - в солнечных батареях, фото-электрич. генераторах.
Основные параметры и
характеристики фотоэлемента. Световая (интегральная) чувствительность
(S)- отношение фототока к вызывающему его
световому потоку при номинальном анодном напряжении (у ВФ) или при короткозамкнутых
выводах (у ПФ). Для определения S используют, как правило, калиброванные
источники света (напр., лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой
температуры нити, обычно равным 2860 К). Так, у ВФ S составляет 30-150 мкА/лм,
у селеновых Ф.- 600-700 мкА/лм, у германиевых - 3.104
мкА/лм. С п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (Sl)-
отношение фототока к вызывающему его лучистому потоку с длиной волны l. У ВФ
диапазон спектральной чувствительности находится в области спектра 115-1200
нм (в зависимости от чувствительности фотокатода и коэф. спектрального пропускания
материала входного окна), у кремниевых Ф. он составляет 400-1100 нм, у германиевых
- 500-2000 нм. В о л ь т-а м п е р н а я х а р а к т е р
и с т и к а- зависимость фототока от напряжения на Ф. при пост. значении светового
потока; позволяет определить оптим. рабочий режим Ф. У ВФ рабочий режим выбирается
в области насыщения (область, в к-рой фототек практически не меняется с ростом
напряжения); такой режим обычно устанавливается при напряжениях 50-100 В. У
ПФ (напр., кремниевого, освещаемого лампой накаливания) значения фототока могут
достигать при оптим. нагрузке (в расчёте на 1 см2 освещаемой поверхности)
неск. десятков мА, а фо-тоэдс - неск. сотен мВ. Т е м н о в о й т о к (для ВФ)
- ток в отсутствие освещения; определяется термоэмиссией фо-токатода и токами
утечки, его величина 10-8-10-14А. Кпд, или к о э ф. п
р е о б р а з о в а н и я с о л н е ч н о г о и
з л у ч е н и я (для ПФ, используемых в качестве преобразователей энергии),-
отношение электрич. мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке, к падающей
световой мощности; кпд достигает 15-18%.
Ф. широко применяются в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерит. технике, метрологии, при оптич. астрофиз. исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т. д.; перспективно использование ПФ в системах энергоснабжения космич. аппаратов, в морской и речной навигац. аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.
|
|
 |
