Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.
Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.
Классификация фотоэлементов
Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:
- Внешний фотоэффект . Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
- Внутренний фотоэффект . Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
- Вентильный фотоэффект . Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).
На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.
Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.
Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.
Устройство и принцип действия
Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.
При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.
Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.
Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.
Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.
При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.
Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.
Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.
Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.
Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.
Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.
Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.
Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.
Фоторезистор
Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?
Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.
Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.
При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.
Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.
Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.
Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.
Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.
Фотодиод
Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.
Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор . Световой луч управляет его работой.
где Ф — световой поток, лк; К((— коэффициент пропорциональности.
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, показанный на рис. 2.21, представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу с катодом из фото- чувствительного слоя и анодом, выполненным в виде металлической пластины или кольца. Наиболее часто такие фотоэлементы используют в качестве датчика, реагирующего на наличие или отсутствие светового луча.
Рис. 2.21. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом:
а — вакуумная лампа; 6 — схема включения; в — характеристика чувствительности
Чувствительность фотоэлемента — это отношение величины фототока в микроамперах к величине светового потока в люменах. Из рис. 2.21 очевидно, что эта характеристика линейна для вакуумных фотоэлементов:
где Ф — световой поток, лк; К((— коэффициент пропорциональности.
Зависимость фототока фотоэлемента от напряжения на аноде называется вольтамперной характеристикой. Световой характеристикой называется зависимость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.
Следует отметить, что фотоэлемент реагирует не только на интенсивность светового потока, но и на его частоту, а поэтому разделяют чувствительность на интегральную (по интенсивности) и спектральную (по частоте). Интегральной чувствительностью называют величину тока фотоэлемента, создаваемого всем спектром потока. Спектральной чувствительностью фотоэлемента называется величина тока фотоэлемента, создаваемого световым потоком одной частоты.
Вакуумные фотоэлементы практически безинерционны, но дают меньший фототок по сравнению с газонаполненными, которые обладают инерционностью. На рис. 2.22 показаны совмещенные характеристики вакуумного и газонаполенного фотоэлементов.
Рис. 2.22. Чувствительность вакуумного (/, 2, 3) и газонаполненного фотоэлементов (4, 5)
Использование фотоэлементов в схемах автоматики требует применения усилителей с большим коэффициентом усиления.
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).
Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом
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.
Значение КПД фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые коэффициентами отражения и поглощения, энергетические потери за счет рекомбинации пар носителей зарядов.
Фотоэлемент — это фотоэлектронный прибор, который в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерирует ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).
Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым эффектом (электронно-дырочным переходом, изотипным гетеропереходом или контактом металл— полупроводник).
Фотоэлемент обычно служит приемником оптического излучения, в том числе приемником видимого спектра, и его нередко отождествляют с фотодиодом. Полупроводниковые фотоэлементы используются также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию (в солнечных батареях, фотоэлектрических генераторах) как источники ЭДС для электропитания различных электронных устройств, приборов автоматики и др.
Принцип действия полупроводниковых фотоэлементов основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фотоЭДС в электронно-дырочном переходе при облучении его световым потоком, т.е. полностью соответствует работе диода в вентильном режиме.
Существенным отличием полупроводникового фотоэлемента от фотодиода является его конструкция. Устройство полупроводникового фотоэлемента схематически показано на рис. 8.20.
Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина «-полупроводника кремния (Si) толщиной h = 0,3—1 мм, на поверхности которой создается полупроводниковый слой /?-Si толщиной h = = 0,4—1 мм. На границе двух слоев образуется р-п-переход с толщиной запирающего слоя h » 0,05 мкм. Контактные пленки выводов от полупроводников — полупрозрачные и выполнены из титана. С тыльной стороны пластины вытравливается лунка, в которой создается контакт с пластиной кремния (Si) «-типа.
Рис. 8.20. Устройство полупроводниковых фотоэлементов: а — кремниевого; б — селенового; / — контактное кольцо; 2 — прозрачный слой металла; 3 — р-л-переход; 4 — металл; 5 — п-Se; 6 — р-Se; 7 — р-Si;
8 — п-Si; 9 — выводы
Из описания конструкции видно, что площадь /?-я-перехода значительно больше у фотоэлемента, чем у фотодиода (см. рис. 8.9), что существенно усиливает внутренний фотогальванический эффект и фотоЭДС при облучении световым потоком.
Характеристики, параметры, условное обозначение и маркировка полупроводниковых фотоэлементов такие же, как у фотодиодов.
Эффективность работы фотоэлемента характеризуется коэффициентом полезного действия:
где Ртгх — максимальная полезная электрическая мощность; PQ — полная мощность лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента.
Значение КПД фотоэлемента зависит от ряда факторов. Существенную роль играют световые потери, определяемые коэффициентами отражения и поглощения, энергетические потери за счет рекомбинации пар носителей зарядов.
КПД фотоэлемента повышается с ростом светового потока Ф, однако при больших значениях Ф увеличивается и рекомбинация носителей зарядов, что снижает коэффициент полезного действия. Процесс рекомбинации зависит от толщины светочувствительного слоя, и чем он меньше, тем быстрее заряды диффундируют к р-п- переходу увеличивается их дрейф и возникает фотоЭДС, равная 0,5-0,6 В.
Из этого можно сделать вывод, что толщина светочувствительных пленок в фотоэлементе должна быть меньше диффузионной длины пробега электрона.
. (29)
Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум.
В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).
, (28)
где – работа выхода электрона;
h – постоянная Планка.
Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением
. (29)
Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.
1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.
а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.
Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента
Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.
2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.
4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.
Главным недостатком таких фотоэлементов является их инерционность, отсутствие тока насыщения и зависимость параметров от возможных колебаний питающего напряжения.
6.1.2 Характеристики вакуумных фотоэлементов.Спектральная характеристика фотоэлемента определяется типом фотокатода, его толщиной, материалом подложки и окна баллона фотоэлемента. В литературе разработана система обозначения типовых спектральных характеристик фотокатодов (С1-С20), за рубежом – (S1-S25).
В зависимости от толщины фотокатоды делят на сплошные, когда излучение падает на внешний слой фотокатода, и полупрозрачные, работающие «на просвет».
При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.
1 Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.
2 для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.
3 Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.
4 в телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.
Частотная характеристика фотоэлементов связана либо с природой переноса фотоэлектронов, либо с наличием межэлектродных емкостей. В быстродействующих фотоэлементах время пролета составляет 10 -11 -10 -12 с.
Импульсная характеристика ухудшается, в основном, из-за разброса времени пролета электронов, которые вылетают из фотокатода с разными энергиями и углами выхода, поэтому они попадают на анод не одновременно. Кроме того, на импульсную характеристику влияет накопление заряда на стекле при перезарядке анодной емкости и межэлектродная емкость, которая составляет 10-50 пФ для обычных фотоэлементов и 3-4 пФ – для скоростных.
При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии.
Ток термоэмиссии составляет:
-для серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода – 10 -12 -10 -10 А/см 2 ;
-для сурьмяно-цезиевого фотокатода – 10 -15 -10 -14 А/см 2 ;
-для мультищелочного фотокатода – 10 -16 -10 -15 А/см 2 .
Ток утечки по стеклу колбы по наружным и внутренним сторонам при анодном напряжении 200-300 В составляет 10 -8 -10 -7 А. При наличии в фотоэлементе охранного кольца этот фототок замыкается на землю и не участвует в темновом токе.
Дата публикования: 2015-10-09 ; Прочитано: 8858 | Нарушение авторского права страницы
Экспериментальная проверка основных законов внешнего фотоэффекта, опред. постоянной Планка.
Главная > Лабораторная работа >Физика
Исследования внешнего фотоэффекта на вакуумном фотоэлементе.
Экспериментальная проверка основных законов внешнего фотоэффекта, опред. постоянной Планка.
1.Указания по организации самостоятельной работы.
Внешний фотоэффект принадлежит к числу явлений, в которых обнаруживаются корпускулярные свойства света, как поток квантов (фотонов) с энергией.
где h=6.6*10-34 Дж.с – постоянная Планка;
— длина его волны;
с – 3*108 м/c – скорость света.
В работе исследуются следующие закономерности:
1. Зависимость между фототоком насыщения Iн и величиной светового потока Ф.
Зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов Ек от частоты излучения D.
3. Определения красной границы фотоэффекта 0 и работы выход А.
Для определения зависимости In(Ф) необходимо освещать фотокатод монохроматический световым потоком е длинной волны (2)
и работу выхода А=h0
Наклон экспериментальной прямой Ек() позволяет определить постоянную Планка, т.к.
3. Описания лабораторной установки.
Оборудования: вакуумный фотоэлемент, регулируемый источник напряжения, вольтметр, амперметр, монохроматор или набор фильтров, лампа накаливания с источником питания. Схема установки приведена на рис.1.
Световой поток от нагретого тела Е имеющего сплошной спектр, через фильтры или монохроматор попадает на фотокатод к вакуумного элемента VL. Частота или длина волны света, наддающего на фотокатод, измеряется сменой фильтров или вращения барабана монохроматора М.
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Проверка закона Эйнштейна.
Подключим анод фотоэлемента к отрицательному, а катод к полож. электроду блока питания G.
Тумблером SA включим установку, а микрометрическим винтом полностью открыли входную цель монохроматора.
Используя градировочную кривую монохроматора, установим минимальную длину волны света. Записали частоту.
Потенциометром RP добились уменьшения фототока до минимального возможной величины. Измеряем Uз при которой I
щим слоем.
Сила фототока зависит от величины светового потока, падающего на фотоэлемент. При небольшой освещенности эта зависимость линейна. Кроме зависимости от освещенности обнаруживается также зависимость фототока от длины волны падающего света; при одной и той же мощности излучения сила фототока получается различной для разных длин волн, причем эта зависимость имеет резко выраженный максимум (рис. 4).
