Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

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.

Применение

Фотоэлементы на практике применяются по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

• По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
• Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
• Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
• На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
• В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
• На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
• В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
• Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
• Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
• Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

Похожие темы:

• Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение
• Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики
• ПЗС матрицы. Виды и устройство. Параметры и особенности
• Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности