Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление, или э. д. с.) изменяются под действием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы делятся на три класса.

Вакуумные, или электронные фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме.

Газонаполненные или ионные фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа.

Полупроводниковые — в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость элементов или создают э. д. с.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект, называемый иначе фотоэлектронной эмиссией, как указывалось (§ 13-4), заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов — свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах — фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения э. д. с. в -переходе вследствие разделения полем перехода электронно-дырочных пар, возникающих под действием падающего на переход светового потока.

Фотодиоды могут работать или в режиме с источником внешнего напряжения или в режиме без источника питания, сами являясь источниками э. д. с.

Наиболее распространенными электронными фотоэлементами являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Рис. 18-1. Электронный фотоэлемент и его условное обозначение.

Рис. 18-2. Схема включения фотоэлемента.

Электронный кислородно-цезиевый фотоэлемент (рис. 18-1) состоит из стеклянной колбы, в которой создан вакуум. Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения света в колбу, покрывается слоем серебра (подложка), на который наносится полупроводниковый слой окиси цезия — катод фотоэлемента К. У сурьмяно-цезиевых вакуумных фотоэлементов подложка выполняется из сурьмы, на которую наносится полупроводниковый слой.

Анод А в фотоэлементах изготовляется в виде кольца, так как он не должен преграждать путь световому потоку к катоду.

Ионные фотоэлементы изготовляются только кислородно-цезиевыми. Они отличаются от электронных только тем, что колба после откачки воздуха заполняется аргоном при низком давлении.

Соединив фотоэлемент с сопротивлением нагрузки и источником питания (рис. 18-2), получим на фотоэлементе анодное напряжение а между анодом и катодом электрическое поле.

Если через окно фотоэлемента на его катод будет падать световой поток, то эмиттированные электроны под действием сил поля будут перемещаться от катода к аноду. Таким образом, в цепи установится фототок, который будет проходить в течение всего времени освещения катода. Зависимость фототока от светового потока Ф при неизменном напряжении источника э. д. с., т. е.

называется световой характеристикой

Рис. 18-3. Световые характеристики: а — электронного фотоэлемента; б — ионного фотоэлемента.

Для электронного фотоэлемента она линейна (рис. 18-3, а):

Для ионного фотоэлемента она нелинейна (рис. 18-3, б).

В ионном фотоэлементе ионизация электронами атомов газа увеличивает поток электронов, т. е. увеличивает ток фотоэлемента. Отношение тока усиленного за счет ионизации газа к первичному электронному фототоку называется коэффициентом газового усиления

Чем больше газа введено в фотоэлемент, тем больше коэффициент КТ. Обычно он равен 4—6.

Одним из важных параметров фотоэлемента является его интегральная чувствительность, представляющая собой отношение фототока, выраженного в микроамперах к световому потоку белого света, выраженному в люменах (лм), получаемому от стандартного источника света.

Для электронных фотоэлементов она составляет 20— 120 мкА/лм, а для ионных 150-250 мкА/лм.

Фотоэлектронная эмиссия, а следовательно, и фототок фотоэлемента зависит от длины волны к светового излучения (§ 13-4), поэтому, кроме интегральной чувствительности, пользуются понятием спектральной чувствительности.

Рис. 18-4. Спектральные характеристики электронных фотоэлементов.

Спектральной чувствительностью называют отношение фототока к световому потоку заданной длины волны т. е.

Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего на фотоэлемент светового потока постоянной величины называется спектральной характеристикой элемента, т. е.

Из рис. 18-4 видно, что у сурьмяно-цезиевого фотоэлемента селективный максимум находится в области голубых и зеленых лучей (А, = 0,4 — 0,5 мкм).

У кислородно-цезиевого элемента имеется два селективных максимума при мкм и при мкм.

Вольт-амперные характеристики (рис. 18-5) электронного фотоэлемента, выражающие зависимость

нелинейны. При увеличении напряжения фототок сначала растет быстро, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается (режим насыщения).

У вольт-амперных характеристик. (рис. 18-6) ионных фотоэлементов при увеличении анодного напряжения после горизонтального участка, кривая поднимается вследствие ионизации.

Рис. 18-5. Вольт-амперные характеристики электронного фотоэлемента.

Читайте также:  Рецепт быстрой маринованной капусты домашней очень вкусной

Рис. 18-6. Вольт-амперные характеристики ионного фотоэлемента.

Одним из свойств фотоэлементов является их утомляемость, т. е. изменение параметров в зависимости от времени эксплуатации.

Вследствие малой величины фототока, который можно получить от фотоэлемента (порядка нескольких микроампер), они обычно применяются совместно с ламповыми или полупроводниковыми усилителями.

Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, телевидения, звукового кино, измерительной техники и т. д.

Простейшие схемы применения фотоэлементов рассмотрены в § 18-4.

Фотоэлектронный умножитель это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, фототок которого усиливается за счет вторичной электронной эмиссии,

В стеклянном баллоне (рис. 18-7), кроме катода К и анода А, расположен ряд вторичных катодов—эмиттеров и т. д., поверхность которых покрыта эмиссионным составом. Каждый следующий друг за другом катод имеет потенциал примерно на 100 В выше предыдущего. Каждый вторичный катод — эмиттер излучает вторичных электронов больше первичных электронов, его бомбардирующих.

Рис. 18-7. Схема фотоэлектронного умножителя и его обозначение.

Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии имеющим значение 3—4. Таким образом, выходной ток фотоэлектронного умножителя с вторичными катодами будет но максимальный выходной ток фотоэлектронного умножителя не превышает десятков миллиампер.

Чувствительность фотоэлектронного умножителя достигает Фотоэлектронные умножители применяются для измерения малых световых потоков примерно до

Отечественная промышленность выпускает фотоэлектронные умножители с различным числом ступеней (ФЭУ-1 — ФЭУ-19).

(полупроводниковые фотоэлементы)

Фотосопротивление. Действие его основано на явлении фотопроводимости. На рис.9.2 показано включение фотосо­противления в электрическую цепь. Без освещения фотосопротивления ток в цепи практи­чески отсутствует, при освещении ток возрастает в тысячи раз.

Рис. 9.2

Фотосопротивления обладают чув­ствительностью в сотни и тысячи раз большей, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Кроме того, они имеют широкий диапазон спектральной чув­стви­тельности: от инфракрасных до рент­ге­нов­ских и g — лучей. Недостатками их являются значительная инер­ционность и зависимость свойств от температуры.

Вентильные фотоэлементы (фотоэлементы с запирающим слоем).

В вентильных фотоэлементах используется фотогальванический эффект (разновидность внутреннего фотоэффекта). В отличие от других фотоэлементов, вентильные фотоэлементы не требуют при работе источника тока, так как сами являются таким источником.

Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики фотоэлементов

Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента называется кривая, выражающая зависимость фототока от напряжения. На рис. 9.3 показана вольт — амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Она отличается двумя особенностями:

а) при увеличении напряжения U между анодом и катодомфототок IФ достигает насыщения (с увеличением освещенности ток насыщения возрастает);

б) существует такое зна­чение задерживающей разности потенциалов Uз , при котором фототок прекращается. Электроны перестают достигать анода, когда работа задерживающего электрического поля становится равной их начальной кинетической энергии: ,

где е, m и v — это заряд, масса и скорость электрона соответственно.

Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер.

Люкс-амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времени nпропорционально освещенности (Iн = е n

Световая характеристика фотосопротивлений имеет нелинейный характер.

Применение фотоэлементов

Фотоэлементы используются в технике и в научных исследованиях. Например, они применяются в звуковом кино для воспроизведения звука, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы позволяют управлять на расстоянии процессами производства. При нарушениях хода процесса изменяется поток света, попадающего на фотоэлемент, и создается ток, выключающий весь процесс. С помощью фотоэлементов измеряются весьма слабые световые потоки (например, в биологии, астрофизике), регистрируются инфракрасные спектры, осуществляется фотографирование в темноте и т.д.

Вентильные фотоэлементы используются для изготовления “солнечных” батарей, преобразующих энергию Солнца в электрическую. Кремневые “солнечные” батареи применяются, например, для питания аппаратуры на искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях.

Фотоэлементы могут быть использованы для измерения освещенности рабочих мест. Приборы, служащие для измерения освещенности, называются люксметрами.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.

2.Снять вольт-ампернуюхарактеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):

2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.9.4.

2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света.

Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэлемент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока Iфот напряжения для двух расстояний r1 и r2 фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 1.

П р и м е ч а н и е. Расстояния r1 и r2 необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).

Таблица 1

Номер U, В Iф, А
измерения r1 = r2 =
. .

2.3. По измеренным данным построить графики Iф = f (U).

3. Снять люкс-амперную характеристику:

Читайте также:  Ремонт стеклокерамических плит своими руками

3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока Iфот освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r , то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 2.

П р и м е ч а н и е. U = сonst должно быть подобрано так, чтобы r можно было менять в широком пределе.

3.2. По данным табл. 2 построить график Iф = f (E) = f (1 / r 2 ).

4. Снять характеристики фотосопротивления:

Таблица 2

Номер U, B =
измере-ния r Iф, А E = 1/r 2
. . .

4.1. Выключить выпрямитель. На место фотоэлемента подключить в цепь фотосопротивление, установив его на оптическую скамью. По аналогии с пп. 2,3 снять однувольт-амперную и одну люкс-амперную кривые для фотосопротивления. Результаты занести в таблицы, аналогичные табл. 1 и 2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Понятие о квантовых свойствах света. Энергия кванта света.

2. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности.

3. Внутренний фотоэффект и его объяснение на основе зонной теории строения вещества.

4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, его физический смысл.

5. “Красная граница” фотоэффекта.

6. Объяснение закономерностей фотоэффекта на основе квантовой природы света

7. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

8. Зависимость тока насыщения фотоэлементов от освещенности.

9. Задерживающая разность потенциалов и ее связь с кинетической энергией электрона, вылетевшего из катода в результате фотоэффекта.

10. Зависимость проводимости фотосопротивления от освещенности.

11. Вольт-амперная и люкс-амперная характеристики фотосопротивления.

Дата добавления: 2016-11-03 ; просмотров: 520 | Нарушение авторских прав

Внутренний фотоэффект — перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках (но не в металлах) под действием света. Если энергия кванта hv падающего света превышает ширину запрещенной зоны в диэлектрике или полупроводнике, то электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара носителей: в зоне проводимости электрон, а в валентной зоне — дырка. Таким образом, в зоне проводимости появляются носители заряда, и при включении полупроводника в цепь по ней будет протекать ток или при приложении внешнего электрического поля будет протекать ток, изменяющийся в зависимости от освещенности.

Внутренний фотоэффект приводит:

  1. К изменению концентрации носителей в зоне проводимости (т.е. изме­нению проводимости);
  2. Возникновению фото ЭДС.

На использовании внутреннего фотоэффекта основано действие фотоэлементов – устройств, преобразующих световую энергию в электрическую, или изменяющих свои свойства под действием падающего света. Изменяющие свойства работают ка внутреннем фотоэффекте: фотосопротивления (ФС), фотодиоды (ФД), фототранзисторы (ФТ), фоторезисторы, фотомикросхемы. Оптоэлектронная пара — в одном корпусе заключены источник света и фотоприемник — используются для гальванической развязки цепей.

Устройства, преобразующие световую энергию в электрическую, используют вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) — возникновение фото ЭДС на pn переходе или на границе металла с полупроводниками. Устройства на вентильном фотоэффекте используются в фотоаппаратах, в солнечных батареях, в калькуляторах, на спутниках, в некоторых домах. Фотоэлементы используются также в фотометрии, спектрометрии, в астрофизике, биологии и т.д.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах, фотоумножителях, в видиконах (трубки теле — и видеокамер) и т.д.

Масса и импульс фотона. Давление света

  1. Фотон — это квант света. Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, испускание, поглощение и распространение света происходит дискретными порциями (квантами), названными фотонами (фото – свет). Энергия фотона:

Эйнштейн получил формулу, связывающую массу и энергию. Формула Эйнштейна:


Для фотона Е= Е, следовательно . Отсюда масса фотона:

Фотон отличается от макроскопических тел и элементарных частиц тем, что он является элементарной частицей света, которая в любой среде движет­ся со скоростью света и не имеет массы покоя m 0 фотона = 0.

Масса покоя — это масса, которой обладает частица при V =0, т.о., покоящихся фотонов не суще­ствует. Если свет остановить, то это означает, что энергия света поглотится веществом и света не будет. Массу фотона следует считать полевой массой, это означает, что свет обладает массой связанной с элементарным полем све­товой волны. Фотон обладает энергией, но всякой энергия соответствует мас­са (это следует из ).

Если понимать под Е энергию электромагнитного поля, то под m следует понимать массу электромагнитного поля световой волны, т.о., поле, как и вещество, имеет энергию и массу. Поле — одна из форм существования материи. Наличие у поля энергии и массы является доказательством материальности электромагнитного поля.

  1. Помимо энергии и массы, фотон обладает импульсом Р. В общей теории относительности получена связь между энергией и импульсом:

где с= 3 · 10 8 м/с,

m — масса покоя, т.к. для фотона m = 0, то. Е =ср, следовательно,

Из сказанного выше следует, что фотон, как и любая другая частица, обладает энергией, импульсом и массой. Эти корпускулярные характеристики фотона связаны с волновой характеристикой света – частотой:

Читайте также:  Содержание ои мкд и управл что это

Проявление корпускулярно-волновой двойственности свет а — свет является волной и частицей.

Экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является световое давление. Излучение, падающее на поверхность тела, оказывает на него давление. Вектор в олны приводит в упорядоченное движение элементарные заряды в веществе, а магнитное поле действует на эти заряды с силой Лоренца. Эта сила оказывается направленной в сторону распространения излучения. Равнодействующая всех этих сил воспринимается как давление, оказываемое излучением на тело. Это объяснение давления с волновой точки зрения. С точки зрения квантовой теории давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Пусть свет падает на нормали к поверхности. Если в единицу времени ( t = 1с) на единицу площади ( S = 1м 2 ) поверхности тела задает N фотонов, то при коэффициенте отражения

света от поверхности ρ – N фотонов отразится, а (1 – ρ) N — поглотится. Каждый фотон, поглощенный поверхностью, передаст ей импульс

а каждый отраженный

Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов:

где — энергетическая освещенность — энергия всех фотонов, падающая на единицу поверхности в единицу времени, , — объемная плотность энергии.

Давление света при нормальном падении

Давление света, если свет падает под углом і:

Число фотонов в единице объема (концентрация фотонов):

[ n ] = м -3 .

Число фотонов, падающих в единицу времени на единицу площади:

Эффект Комптона

Еще одним эффектом, в котором проявляются корпускулярные свойства света, является эффект А. Комптона (1923 г.), заключающийся в изменении длины волны, рассеянного легкими атомами (парафин, графит, бор) рентгеновского излучения.

Схема опытов Комптона: монохроматические рентгеновские лучи, создаваемые рентгеновской трубкой А, проходят через диафрагмы Д и узким пучком направляются на легкое рассеивающее вещество В. Лучи, рассеянные на угол θ, регистрируются приемником рентгеновских лучей Пр. — рентгеновским спектрографом, в котором измеряется длина волны рассеянных рентге­новских лучей. Опыты Комптона показали, что длина волны λ’ рассеянного света больше длины волны λ падающего свежа, причем разность λ’ – λ зависит только от угла рассеяния θ:

— комптоновская длина волны, определяется массой исследуемого вещества.

Объяснение эффекта Комптона дано на основе квантовых представлений о природе света.

В легких атомах электроны слабо связаны с ядрами, поэтому электроны можно считать свободным. Тогда эффект Комптона — результат упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами. Для упругого столкновения выполняется закон сохранения энергии и закон сохранения импульса.

Закон сохранения энергии для эффекта Комптона (энергия системы до взаимодействия равняется энергия системы после взаимодействия)

где — энергия падающего фотона,

m c — энергия покоящегося электрона,

hν’ — энергия рассеянного фотона,

hν + m c — энергия до взаимодействия.

Закон сохранения импульса для эффекта Комптона:

— импульс падающего фотона;

р’ — импульс электрона отдачи;

— импульс рассеянного фотона.

Масса релятивистской частицы

(1)

(2)

Возведем в квадрат и учтем, что

(3)

(4)

Сравнивая (3) и (4) получим:

Умножим на и получим

следовательно,

Корпускулярно-волновая двойственность свойств света

В таких опытах как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия проявляются волновые свойства света и для описания света используются волновые характеристика: λ,ν. В эффектах квантовой оптики: тепловое излу­чение, фотоэффект, фотохимическое действие света, давление света, эффект Комптона, свет проявляет себя как частица и для его описания используются корпускулярные характеристики: масса, импульс. Развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показали, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны не следует противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов. Свет имеет сложные корпускулярно-волновые свойства: обладает одновременно и волновыми и квантовыми свойствами — корпускулярно-волновая дуализм (двойственность) свойств света.

Связь корпускулярных и волновых свойств света отражают формулы для энергии, импульса, массы фотона:

Волновые свойства играют определенную роль в закономерностях рас­пространения света, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше λ (меньше ν), тем меньше р и Е фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света (например, фотоэффект происходит только при hv > Aвыx). Чем меньше λ (больше ν), тем труднее обнаружить волновые свойства света. Например, рентгеновские лучи λ

10 -10 м дифрагируют только на кристаллической решетке твердого тела.

Взаимосвязь между волновыми и орпускулярными свойствами света объясняют с помощью статических методов.

Волновые свойства присущи не только большой совокупности фотонов, но и каждому фотону в отдельности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector