Фотоэлектрический метод

В фотоэлектрических методах измерения используются различные электрические эффекты, возникающие при освещении некоторых материалов световыми лучами. При падении на поверхность некоторых тел световые лучи сообщают часть своей энергии электронам, переводя их с одних электронных уровней на другие, следствием чего является выход электронов на поверхность тела или переход их из состояния, связанного с атомами, в свободное состояние.

Согласно квантовой теории, всякий металл представляет собой кристаллическую решетку из положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны. Кинетическая энергия этих электронов тем больше, чем выше температура металла. Свободные электроны удерживаются в металле электростатическими силами ионов кристаллической решетки. Выход электрона из металла более вероятен в том случае, когда электрон обладает большей кинетической энергией. Очевидно, если сообщить электрону извне дополнительную энергию, например, световую, то можно облегчить выход его на поверхность. Явление выхода электронов на поверхность металлов под действием световых лучей называется фотоэлектронной эмиссией. Если сообщить эмитируемым электронам упорядоченное движение, поместив эмигрирующую поверхность в электрическое поле, то получим электрический ток, называемый фототоком. Очевидно, фототок может возникать не только за счет эмитируемых на поверхность электронов, но также за счет электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атома и остающихся свободными внутри вещества.

Известно три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и в запирающем слое.

Внешний фотоэффект заключается в возникновении фотоэлектронной эмиссии на поверхности металлического электрода, освещаемого световыми лучами (под световыми лучами подразумеваются электромагнитные волны видимой и прилегающей к ней, части спектра). Упорядоченное движение фотоэлектронам сообщается при помощи электрического поля, создаваемого между электродами. Поверхность одного из них является эмитирующей. Она покрывается металлом, обладающим повышенным фотоэффектом. К числу таких металлов относятся цезий, рубидий, торий, натрий и др. На рис.2.21 показано принципиальное устройство фотоэлемента (т.е. преобразователя, использующего фотоэффект) и его включение в измерительную схему. Тонкий эмитирующий слой 1 металла, например цезия, наносят на пленку 2 окисла этого металла, которая, в свою очередь, покрывает серебряное зеркало 3, находящееся на внутренней поверхности стеклянного баллона 4. Световой луч 5 попадает на эмигрирующую поверхность через окно в стеклянном баллоне. Положительный зажим батареи присоединяется к аноду 6, а отрицательный — к эмитирующему слою металла 1, являющемуся катодом.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. В первом случае фототок обусловлен только фотоэлектронами, тогда как во втором случае фотоэлектроны вызывают ионизацию газа (обычно аргона при давлении, равном сотым долям миллиметра ртутного столба), вследствие чего общий фототок возрастает.

Столетов установил, что фотоэлектрический ток при постоянном спектральном составе света пропорционален интенсивности света. Другими словами, если i — сила фототока, а Ф — световой поток, падающий на фотоэлемент, то при постоянном приложенном напряжении (см. рис.2.21) получим

, (2.27)

где k — коэффициент, характеризующий чувствительность фотоэлемента.

На рис.2.22 показана зависимость силы фототока i от светового потока Ф для газонаполненного фотоэлемента при различных значениях напряжения, подтверждающие установленную Столетовым зависимость (2.27).

Дальнейшие исследования показали большую зависимость фототока от спектрального состава света, причем было установлено, что световые лучи некоторых длин волн вовсе не вызывают фотоэффекта. Эйнштейн установил закон, по которому энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающих лучей, т.е.

, (2.28)

где m — масса электрона;

— скорость электрона;

h — постоянная Планка;

— частота падающих лучей;

— граничная частота лучей, при которой фотоэффект отсутствует

Так как энергия фотоэлектронов, а, следовательно, и сила фототока зависят от длины волны падающих лучей, то одной из основных характеристик фотоэлемента является его спектральная характеристика.

Другой характеристикой фотоэлемента с внешним фотоэффектом является его частотная характеристика, т.е. зависимость фототока от скорости изменения интенсивности света. Сам по себе внешний фотоэффект наступает мгновенно после начала освещения катода, однако возникающие в ряде случаев вторичные явления (электронная эмиссия при бомбардировке анода фотоэлектронами, ионизации газа и др.) замедляют возникновение фототока, в результате чего фотоэлементы становятся инерционными.

При практическом использовании фотоэлементов с внешним фотоэффектом, помимо указанных характеристик, имеет значение также зависимость фототока от напряжения, окружающей температуры и продолжительности работы фотоэлемента. Повышение температуры приводит к увеличению фототока вследствие увеличения энергии электронов. При этом изменяется спектральная характеристика фотоэлемента.

Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом с течением времени изменяются, что может привести к нарушению градуировки прибора.

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов при облучении их световыми лучами. К таким материалам относятся селен, сера, сплав сульфида таллия с окисью таллия и сернистый свинец.

При освещении полупроводниковых материалов энергия световых квантов затрачивается на освобождение связанных с атомами электронов и на перевод их в свободное состояние. Увеличение количества свободных электронов эквивалентно уменьшению электрического сопротивления полупроводников. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом являются специальными электрическими сопротивлениями, поэтому они и получили название фотосопротивлений.

Изменение фотосопротивления пропорционально интенсивности падающего светового потока. Зависимость силы фототока i от светового потока Ф, называемая световой характеристикой фотосопротивления, определяется выражением

, (2.29)

где — лежит в пределах от 0,3 до 0,4;

k — постоянный коэффициент.

Чувствительность фотосопротивлений выше, чем фотоэлементов с внешним фотоэффектом, и в зависимости от величины светового потока составляет от нескольких сотен микроампер на люмен (при больших световых потоках) до нескольких миллиампер на люмен (при малых световых потоках).

Принцип устройства селенового фотосопротивления показан на рис.2.23. На стеклянной пластинке 1 путем вытравливания нанесены две входящие друг в друга системы штрихов. Образовавшиеся канавки 2 заполняют проводящими веществами (платина, золото, графит), которые служат электродами, после чего на пластинку наносят тонкий слой селена 3. Для защиты от воздействия влаги фотосопротивление помещают обычно в эвакуированный стеклянный баллон.

Одной из основных характеристик фотосопротивления является отношение темнового сопротивления R_T (сопротивление при нулевом световом потоке) к сопротивлению фотоэлемента R_ОСВ, освещенного номинальным потоком, т. е. Rt/Rocb. Эта величина для разных фотосопротивлений колеблется в пределах 3—6.

Фотосопротивления, как и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, имеют различные спектральные характеристики. Так, например, селеновые фотосопротивления имеют максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, таллофидные сопротивления — в инфракрасной области и т.д.

Фотосопротивления обладают значительной инерцией вследствие влияния положительных ионов, возникающих при вторичной эмиссии. Они не стабильны во времени и подвержены влиянию температуры, поэтому не находят широкого применения в измерительной технике. Однако в качестве чувствительных элементов автоматических устройств фотосопротивления незаменимы.

Фотоэффект в запирающем слое заключается в следующем. Если освещать поверхность соприкосновения некоторых полупроводников с проводниками, то при этом возникнет направленное движение электронов, представляющее собой электрический ток. Механизм этого явления состоит в том, что кванты падающего на полупроводник света отдают свою энергию электронам, выбивая их из электронных орбит атомов. При этом освободившиеся электроны переходят в проводник, заряжая его отрицательно. Поскольку слой на границе соприкосновения полупроводника с проводником обладает вентильными свойствами (электрический ток пропускается в одном направлении), то фотоэлементы, основанные на использовании фотоэффекта в запирающем слое, носят название вентильных.

Принцип устройства вентильного фотоэлемента показан на рис.2.24. На железную или алюминиевую пластинку (положительный электрод) 4 путем напыления в вакууме наносят слой селена 1. На поверхности селена образуется запирающий слой 2, с которым соприкасается полупрозрачный слой 3 золота или платины, являющийся отрицательным электродом. Если электроды замкнуть на внешнюю цепь, то при освещении фотоэлемента по цепи потечет фототок.

На рис.2.25 показана зависимость э. д. с. е холостого хода, тока короткого замыкания i и внутреннего сопротивления r селенового фотоэлемента от величины светового потока Ф. Из рисунка видно, что с увеличением освещенности внутреннее сопротивление r падает, а э. д. с. е возрастает, приближаясь к насыщению при большой освещенности.

Преимуществами вентильных фотоэлементов являются большая чувствительность (что позволяет в ряде случаев обойтись без усиления) и малая инерционность. Однако эти фотоэлементы чувствительны к изменению внешней температуры и менее стабильны во времени, чем фотоэлементы других типов.

Следует заметить, что в вентильных фотоэлементах энергия светового потока непосредственно преобразуется в электрическую энергию без применения посторонних источников энергии. В фотоэлементах же с внешним и внутренним фотоэффектами световая энергия служит только для управления энергией внешнего источника. На этом основании методы измерения с использованием внутреннего и внешнего фотоэффектов следует отнести к параметрическим методам, а методы измерения с использованием фотоэффекта в запирающем слое — к генераторным методам.

Фотоэлементы включаются в цепь последовательно с нагрузкой, как это показано на рис.2.26 а,— для фотоэлементов с внешним и внутренним фотоэффектами, а на рис. 2.26, б — для вентильных фотоэлементов. В качестве нагрузки может служить измерительный прибор, реле, управляющая обмотка магнитного усилителя и т.д. В случае применения электронных усилителей для усиления фототоков фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектами включаются по схеме, приведенной на рис.2.27. Фотоэлектрический метод измерения незаменим в тех случаях, когда измеряемая неэлектрическая величина непосредственно связана с излучаемой световой энергией. Например, при определении направлений на объекты, излучающие световую энергию, фотоэлектрический метод часто оказывается единственно возможным. В других случаях измеряемую неэлектрическую величину нужно сначала преобразовать в изменение светового потока.