Типы фотоэлементов

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. д.

Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.

Вакуумный фотоэлемент

Современный вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рисунок 5.8). Это катод 1. Через прозрачное «окошко» свет проникает внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют на видимый свет и даже на инфракрасные лучи.

При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных «видящих» автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородки) при пересечении светового пучка, если предварительно не опущен жетон.

Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.

Фотореле

Схема фотореле показана на рисунке 5.9. При попадании света на фотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет слабый ток. К концам резистора присоединены база и эмиттер транзистора. Потенциал базы выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует. Когда рука человека попадает в опасную зону, она перекрывает световой поток, падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер — база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь питания механизма, который остановит пресс.

Полупроводниковые фотоэлементы

Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого внешним фотоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах — приборах, сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, создающие ЭДС и непосредственно преобразующие световую энергию в энергию электрического тока. ЭДС, называемая в данном случае фото ЭДС, возникает в области р—n-перехода двух полупроводников при облучении этой области светом. Под действием света образуются пары электрон — дырка. Электрическое поле в контакте заставляет неосновные носители полупроводников перемещаться через контакт. Дырки из полупроводника n-типа перемещаются в полупроводник p-типа, а электроны из полупроводника р-типа -в область я-типа. Это приводит к накоплению основных носителей в полупроводниках n- и p-типов. В результате потенциал полупроводника p-типа увеличивается, а n-типа уменьшается. Это происходит до тех пор, пока ток неосновных носителей через р—n-переход сравняется с током основных носителей через этот же переход. Между полупроводниками устанавливается разность потенциалов, которая и представляет собой фото-ЭДС. Если замкнуть цепь через внешнюю нагрузку, то в цепи пойдет ток, определяемый разностью токов неосновных и основных носителей через р-n-переход (рисунок 5.10). Этот ток зависит от интенсивности падающего света и сопротивления резистора R.

Фотоэлементы с р—n-переходом (иначе называемые вентильными) создают ЭДС порядка 1-2 В. Их выходная мощность достигает сотен ватт при коэффициенте полезного действия до 20%. Такие фотоэлементы можно использовать, например, в фотоэкспонометрах. Особенно широкое применение полупроводниковые элементы получили при изготовлении солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях (рисунок 5.11). К сожалению, пока такие батареи довольно дороги.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое вакуумный фотоэффект?

2. Расскажите принцип работы Фотореле.

3. Что такое полупроводниковые фотоэлементы?

4. Как по другому называются полупроводниковые фотоэлементы?

5. Применение полупроводниковых фотоэлементов.