Какие типы фотоэлементов вам известны кратко

Обновлено: 07.07.2024

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.

Внешний фотоэффект

А — анод; К — катод светочувствительный; О — окошко для доступа света.

Достоинства фотоэлемента: безынерционность, фототок I пропорционален световому потоку Ф.

Недостатки фотоэлемента: слабый ток, малая чувствительность кдлинноволновому излучению; сложность в изготовлении, не используется в цепях переменного тока.

Применение в технике

  1. Кино: воспроизведение звука.
  2. Фототелеграф, фототелефон.
  3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.
  4. Управление производственными процессами. Ф— фотоэлемент; У —усилитель; Р — электромагнитное реле; К. — катушка; Я — якорь.

Внутренний фотоэффект

Изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.

Фоторезистор—устройство, сопротивление которого зависит от освещенности.

Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока

Вентильный фотоэффект

Возникновение ЭДС под действием света в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников.

Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12—16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне.

Принцип действия солнечной батареи: при поглощении кванта энергии hv полупроводником освобождается дополнительная пара носителей (электрон и дырка), которые движутся в разных направлениях: дырка — в сторону полупроводников p-типа, а электрон — в сторону полупроводников n-типа.

В результате образуется в полупроводнике n-типа избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа — избыток дырок. Возникает разность потенциалов.

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.

Широкое применение в технике четыре вида фотоэлемента.

а) Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

1. Вакуумные фотоэлементы, практически не обладающие инерционностью.

2. Газонаполненные фотоэлементы, обладающие большей, по сравнению с вакуумным, чувствительностью, но и большей инерционностью, т.е. изменения фототока запаздывают по времени относительно изменения светового потока.

б) Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.

2. Вентильные фотоэлементы.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладает значительно большей инерционностью по сравнению с фотоэлементами основанными на внешнем фотоэффекте.

Порядок выполнения работы

Работа состоит из 2-х частей:

Определение чувствительности фотоэлемента.

В работе применяется селеновый фотоэлемент.

Устанавливают фотоэлемент и электролампу с известной силой света так, чтобы их центры были на одной горизонтали. Устанавливают фотоэлемент на указанном в работе расстоянии от электролампы и подсоединяют гальванометр к фотоэлементу. Включают лампу в сеть и устанавливают указанное в работе напряжение.

При освещении фотоэлемента гальванометр покажет наличие фототока. Записывают в таблицу расстояние R от фотоэлемента до электролампы и силу фототока i. Повторяют измерения измеряя расстояние через равные интервалы.

Пройдя весь указанный в работе интервал расстояний, выключают электролампу и отключают гальванометр от фотоэлемента.

Результаты измерений записывают в таблицу.

Таблица результатов по определению чувствительности фотоэлемента типа .

Фоточувствительная поверхность S=

Сила света лампы J =

Обрабатывают результаты измерений.

Зная силу света J лампы при данном напряжении и расстояние от лампы до фотоэлемента, находят освещенность фотоэлемента по закону освещенности


Е = .Зная освещенность и светочувствительность площадь фотоэлемента, (она указана в работе), находят световой поток, падающий на фотоэлемент


Зная световой поток Ф и силу фототока i, строят график зависимости i от Ф. Из графика находят чувствительность фотоэлемента к = .

Определение удельной мощности электролампы.

Устанавливают фотоэлемент на таком расстоянии от электролампы, чтобы при максимальном освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонялась почти на всю шкалу гальванометра. Записывают мощность P потребляемую электролампой и силу фототока i. Повторяют измерения уменьшая мощность, потребляемую лампой через равные интервалы. Пройдя весь указанный в работе интервал напряжений, выключают электролампу и отключают гальванометр от фотоэлемента.

Фотодатчики активно используются в самых разных электронных приборах, являясь одним из главных компонентов систем домашней или промышленной автоматики.

Эти элементы отвечают за фиксацию изменения освещенности и передачу соответствующей информации на основные приборы.

Для лучшего понимания специфики устройства стоит познакомиться с его устройством и разновидностями.

  1. Устройство датчика
  2. Разновидности фотодатчиков
  3. Типы фотоэлементов
  4. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
  5. Вентильные фотоэлементы
  6. Фоторезисторы
  7. Фотодиоды

Фотодатчики активно используются в самых разных электронных приборах, являясь одним из главных компонентов систем домашней или промышленной автоматики.

Эти элементы отвечают за фиксацию изменения освещенности и передачу соответствующей информации на основные приборы.

Для лучшего понимания специфики устройства стоит познакомиться с его устройством и разновидностями.

Читайте также: