Дисциплина Электротехника и электронная техника

     Тема                   Фотоэлементы

 

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом.

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупро­водниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энер­гии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.

Свет управляет в фотоэлектрическом приборе электрическим током или элек­тронным потоком. В настоящее время широко распространены три типа фото­электрических приборов:

1) фоторезисторы, являющиеся фотоэлектрическими приборами с внутренним фотоэффектом, так как воздействие светового потока увеличивает число носите­лей электрических зарядов внутри самого прибора;

2) фотоэлектрические приборы с запирающим слоем, в которых воздействие светового потока создает разность потенциалов на границах электронно-дыроч­ного перехода в полупроводнике;

3) вакуумные и газонаполненные фотоэлементы или фотоэлементы с внеш­ним фотоэффектом. Первые два типа фотоэлектрических приборов являются полупроводниковыми, а последний принадлежит к числу электровакуумных при­боров.

Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (в вакуум или разреженный газ). В вакуумных или электронных фотоэлементах движение электронов происходит в вакууме, в газонаполненных или ионных фотоэлементах электроны перемещаются в разреженном газе и ионизи­руют атомы газа.

 

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом:

а) – схема включения

б) – внешний вид

1- световой поток

2- колба

3- фотокатод

4- анод

5- цоколь

6- контактные штыри

 

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом 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 4фотоэлемента 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 фототек I_ф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника питания (I_ф=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.

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.

 

Фотоумножитель.

 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. В стеклянном баллоне кроме фотокатода и анода расположен ряд вторичных эмиссионных катодов, поверхность которых покрыта эмиссионным составом. Между этими эмиссионными катодами имеется разность потенциалов примерно 100 В, повышаясь по мере удаления от фотокатода к аноду.

 

     

 

 

 Фотоумножитель:

а) принципиальная схема

б) фотоумножитель типа ФЭУ-22

1 – световой поток

2 – первый каскад

3 – третий каскад

4 – анод

5 – четвертый каскад

6 – второй каскад

7 - фотокатод

                                                         

                                                                                                                                                                                                                                                              

                                                         а)                               б)

При освещении фотокатода вылетающие с его поверхности первичные электроны под действием электрического поля между катодом и эмиссионным катодом — эмит­тером вторичных электронов первого каскада с большой скоростью устремляются на этот эмиттер и выбивают с его поверхности вторичные электроны, число которых в несколько раз больше числа электронов, попавших на эмиттер первичных электронов. Под действием электри­ческого поля между эмиттерами первого и второго каскадов элект­роны, вылетевшие с первого эмиттера с большой скоростью, ударя­ются о второй эмиттер и выбивают с его поверхности вторичные элект­роны, число которых также в несколько раз больше числа электронов, оказавшихся на нем.

Увеличенный поток вторичных электронов с эмиттера второго каскада попадает на эмиттер третьего каскада, усиливается этим и четвертым каскадами и достигает анода фотоумножителя.

Таким образом, в фотоумножителе происходит многократное увеличение числа вторичных электронов, т. е. усиление фото­тока.

Фотоэлектронные умножители применяются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-8 люмен) и выходной ток их не превы­шает нескольких десятков миллиампер.