Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом

     Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

   Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.
 Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов дополнительную энергию, достаточную для выхода их вещества в окружающую среду (в вакуум или разрежённый газ). В вакуумных или электронных фотоэлементах движение происходит в вакууме, в газонаполненных или ионных фотоэлементах электроны перемещаются в разреженном газе и ионизируют атомы газа.

 
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. 

 

  Таким образом, в цепи установится фототок Iф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника питания (Ifr=f(Ф)) называется световой характеристикой. В ионном фотоэлементе электроны ионизируют атомы газа и увеличивают поток электронов т. е. увеличивают ток фотоэлемента, повышая его чувствительность.

Фотоэлектронная эмиссия и фототок фотоэлемента зависят от длины волны светового излучения, поэтому помимо световой чувствительности фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью.

Анодные вольт амперные характеристики фотоэлементов показывают зависимость фототока от приложенного к зажимам фотоэлемента напряжения при неизменном световом потоке, освещающем фотокатод, т. е. Iф =f(U) при Ф = const.

  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.

 Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы с усилением фототока, называемые фотоэлектронными умножителями. Эти приборы с внешним фотоэффектом, в которых фототок усиливается под действием вторичной электронной эмиссии.

 Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем.

  Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения световой энергии вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.  Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества,увеличивая количество носителей электрических зарядов.
 Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко изменяется под действием падающего на них светового излучения. В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).  Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фоторезистор представляет собой (изо, а) стеклянную пластинку 1, на которую нанесен тонкий слой полупроводника 2, покрытый прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на изо, б.

Фоторезистор:а - схема устройства,б - схема включения и условное обозначение ФР,в - вольт амперная характеристика;1 - пластинка, 2 - слой полупроводника, 3 -электроды

Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым» сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через него проходит малый «темновой» ток Iт. При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается и ток увеличивается до некоторого значения Iс, зависящего от интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и «темновым» называется фототоком, т. е.
Iф = Iс - Iт.
Вольт амперная характеристика фоторезистора (изо, в), т. е. зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f(U) при
Ф = const линейна. Видно, что прямая затенённого положе, чем освещённого.
Это говорит о меньшей чувствительности неосвещённого элемента. К недостаткам фоторезисторов относится их инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время), нелинейность световой характеристики (фототок возрастает медленнее, чем сила света), зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды. Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между полупроводниками с р-и n-проводимости. В этих фотоэлементах под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая фото-эдс. Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен, сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.

 Схема устройства кремниевого
вентильного фотоэлемента1 - пластина кремния,2 - слой полупроводника

 Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n-перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов - электронов и дырок.
Под действием электрического поля р-n-перехода образующиеся в результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой n, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое n и дырок в слое р.
Под действием разности потенциалов (фото-эдс) между слоями р и n во внешней цепи проходит ток I, направленный от электрода р к электроду n. Этот ток зависит от количества носителей зарядов - электронов и дырок, т. е. от силы света.

Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм), они не требуют источника питания и находят широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т. д. Принцип устройства кремниевого фотоэлемента с запирающим слоем показан на изо.
На пластину кремния 1 с примесью, создающей электронную проводимость, вводят примесь бора путем диффузии в вакууме, в результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью 2 очень малой толщины, так что световые лучи свободно проникают в зону перехода. Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют, например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n-переходом, называемый фотодиодом, может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим). При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение вызывает возникновение фото-эдс, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод.  При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-эдс и фотодиод подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью.
Если фотодиод не освещен, то через него проходит не большой обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов - электроны и дырки. Дырки доходят до р-n-перехода и под действием электрического поля переходят в р-область, т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных носителей из n-области в р-область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
 

Курс по радиоэлектронике 2012