Фотоэлементы с внешним фотоэффектом: Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Изучение работы фотоэлемента с внешним фотоэффектом

Цель работы. Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента и исследование зависимости возникающего в фотоэлементе фототока от потока излучения, падающего на чувствительную поверхность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности. Фотоэлемент, микроамперметр, лампа накаливания, оптическая скамья с держателями для фотоэлемента и лампы, выпрямитель, потенциометр, вольтметр, соединительные провода, светофильтры.

Введение

Воздействие света на вещество состоит в сообщении веществу энергии, приносимой световой волной. Одним из проявлений воздействия света на вещество является внешний фотоэффект— испускание электронов веществом под действием света.

Явление фотоэффекта было открыто Герцем в 1887 г., а затем подробно изучено А. Г. Столетовым (1888 г.). Схема опыта А. Г. Столетова представлена на рис. 1. Поток света падает на конденсатор, состоящий из двух пластин. Одна представляет собой металлическую сетку (

Рис. 1.

Рис. 2.

На рис. 2 показана вольт-амперная характеристика фотоэлемента, т. е. зависимость силы фототока I от разности потенциалов φ

Из рис. 2 следует, что с увеличением разности потенциалов U_A, называемой анодным напряжением, фототок растет, а затем достигает насыщения. Насыщение наступает при таком значении U_A, когда все электроны, испускаемые фотокатодом за единицу времени, достигают анода. Сила фототока насыщения

I_н=e·n, (1)

где е — заряд электрона, n — число электронов, попадающих на анод за единицу времени.

Законы внешнего фотоэффекта. Приведем три основных закона фотоэффекта.

I. При постоянном спектральном составе потока излучения фототок насыщения пропорционален потоку излучения:

I_н = γ·Ф, (2)

γ — называют интегральной чувствительностью фотокатода.

Зависимость (2) называется люкс-амперной характеристикой фотоэлемента, график ее представлен на рис. 3. Закон был впервые сформулирован А. Г. Столетовым. Следует отметить, что закон Столетова строго выполняется лишь для вакуумных фотоэлементов.

З

(Е_к)_max

Рис. 4.

Рис. 3.

Энергия фотона, где

h = 6,62-10^-34 Дж · с — постоянная Планка,

— частота излучения.

II. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего моно- хроматического света.

Рассмотрим подробнее вольт-амперную характеристику фотоэлемента. Из рис. 2 следует, что при U_A = 0 сила фототока. Это означает, что электроны, вырванные светом из катода, имеют некоторую скорость, а, следовательно, и кинетическую энергию, и могут достигнуть анода в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы прекратить фототок, т. е. сделать его равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₃,, при котором даже самые быстрые фотоэлектроны не достигнут анода, т. к. будут задержаны электрическим полем, т. е.

(E_к)_max = (m·v²_max)/2 = e · U_З (3)

Здесь m — масса электрона, е — заряд электрона, U₃— задерживающее напряжение.

Меняя частоту падающего монохроматического света, можно найти зависимость f(ν)

Экспериментальные исследования показали, что эта зависимость является линейной:

(E_к)_max

где а — константа, b — зависит от материала катода.

График зависимости (4) показан на рис. 4 и свидетельствует о том, что с увеличением частоты падающего монохроматического света максимальная кинетическая энергия фото- электронов возрастает. Линейный характер зависимости был объяснен Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света.

При падении фотонов на поверхность металла происходит взаимодействие фотонов и атомов. Согласно однофотонной теории фотоэффекта, атом получает энергию только одного фотона. Эта энергия расходуется на работу выхода электрона из металла и сообщения ему кинетической энергии.

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна

(E_к)_max = (m·v²_max

Здесь А — есть работа выхода электрона из металла, равная той наименьшей энергии, которую необходимо сообщить электрону (атому) для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого вещества в вакуум в состояние с кинетической энергией равной нулю.

Выражение (5) носит название уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Сопоставление уравнений (4) и (5) позволяет сделать вы- вод, что а = h, b = А, что объясняет результаты эксперимента.

III. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v₀, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Величина v₀ зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

При облучении вещества светом, длина волны которого λ > λ

h · ν₀ = А ν₀. (6)

Следует отметить, что при обычных интенсивностях света при взаимодействии света с веществом в элементарном акте поглощается один фотон. При больших интенсивностях, на- пример в световых пучках, генерируемых лазерами, в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться несколько фотонов. Такое поглощение называется многофотонным (см. 3).

Формула Эйнштейна в этом случае записывается следующим образом:

N · h · ν = (m·v²_max)/2 + А.

Соответственно красная граница смещается в сторону более длинных волн (λ

Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов.

Фотоэлементами называются устройства, в которых световая энергия преобразуется в электрическую. На внешнем фотоэффекте основано устройство фотоэлементов, широко при- меняемых в разных областях техники. Фотоэлементы бывают вакуумные и газонаполненные.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 5) представляет собой стеклянный или кварцевый баллон, на внутреннюю стенку которого нанесен слой К светочувствительного щелочного металла. Этот слой К имеет контакт с проводником, выведенным из баллона. В середине баллона расположено кольцо А, имеющее контакт с другим проводником, выведенным из баллона. Кольцо А соединяется с положительным полюсом батареи (фотоанод), слой

У вакуумных фотоэлементов, начиная с некоторого значения анодного напряжения, прекращается дальнейший рост тока, наступает состояние насыщения.

Газонаполненный фотоэлемент отличается от вакуумного тем, что он наполнен каким-либо инертным газом (Не, Ne, Ar). Эти фотоэлементы обладают большей чувствительностью, чем вакуумные, и ток насыщения в них отсутствует.

Вакуумный газонаполненный фотоэлемент — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Вакуумный газонаполненный фотоэлемент

Cтраница 1

Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы имеют различные вольтамперные характеристики.  [2]

Существуют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Спектральные характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов и фотоумножителей целиком определяются свойствами фотокатодов.  [5]

Принцип действия вакуумных и газонаполненных фотоэлементов одинаков, но характеристики их различны.  [6]

Наряду с вакуумными и газонаполненными фотоэлементами, как было сказано выше, начинают применяться также полупроводниковые фотоэлементы: фотосопротивления, фотодиоды и фототриоды.  [7]

К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, а также фотоэлектронные умножители.  [8]

Внешний фотоэффект используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях.  [10]

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом ( вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители) обладают высокой чувствительностью, линейностью световой характеристики ( зависимость фототока от светового потока), высокой температурной стабильностью-характеристик.  [11]

Существуют различные типы фотоэлементов: вакуумные и газонаполненные фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотосопротивления, вентильные фотоэлементы и фотоумножители.  [12]

На принципе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.  [13]

Фотоэлектрические приборы делятся на два основных класса: а) вакуумные и газонаполненные фотоэлементы; б) полупроводниковые фотоэлементы. Различие между этими двумя классами будет более понятно, если провести аналогию с электронными приборами; вакуумными лампами и тиратронами, с одной стороны, и транзисторами — с другой.  [14]

В фотореле могут быть использованы все известные типы фотоэлектронных приборов: вакуумные и газонаполненные фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоумножители, вентильные фотоэлементы, фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды.  [15]

Страницы:      1    2    3

Современный фотоэлемент — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Современный фотоэлемент

Cтраница 1

Современные фотоэлементы по принципу действия разделяются на три группы: 1) фотоэлементы с внешним фотоэффектом; 2) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом; 3) фотоэлементы с запирающим слоем, или вентильные фотоэлементы.  [2]

Современный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой, как правило, стеклянный баллон, из которого откачан воздух.  [4]

Современные фотоэлементы с внешним фотоэффектом состоят из фотокатода / С, являющегося эмиттером фотоэлектронов, и анода А, — собирающего эти электроны. Расположение катода и анода в фотоэлементах показано на рис 4.66. В большинстве современных фотоэлементов применяются сложные катоды с цезием ( кислородно-цезиевый, сурьмяно-цезиевый), обладающие наибольшей чувствительностью: 20 — 80 мка / лм для кислородно-цезиевых и 50 — 150 мка / лм для сурьмяно-цезиевых.  [5]

Современные фотоэлементы по принципу действия разделяются на три группы: 1) фотоэлементы с внешним фотоэффектом; 2) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом; 3) фотоэлементы с запирающим слоем, или вентильные фотоэлементы.  [6]

Типичный современный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода: светочувствительный — фотокатод и собирающий вылетающие электроны — анод. В вакуумных фотоэлементах воздух из баллона откачан.  [8]

Катоды современных фотоэлементов делают из полупроводников. При этом образование свободных электронов, способных вылетать из катодов, идет во много раз интенсивнее, чем при использовании катодов из металлов.  [10]

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-це-зиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью.  [11]

Фотокатоды современных фотоэлементов имеют сложную структуру.  [12]

Фотокатоды современных фотоэлементов имеют сложную структуру. На поверхность основного металла наносится мономолекулярный слой атомов электроположительного металла. При этом между основным металлом ( подложкой) и поверхностным слоем адсорбированных атомов обычно создается промежуточный полупроводниковый слой.  [13]

Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью.  [14]

В современных фотоэлементах для изготовления фотокатодов чаще всего применяется металл цезий или его химические соединения с некоторыми элементами. Процесс изготовления цезиевого фотокатода следующий: на внутреннюю поверхность баллона наносится тонкий слой серебра, который затем окис-ляется.  [15]

Страницы:      1    2    3

Каково устройство и принцип действия фотоэлемента, работающего на внешнем фотоэффекте (кислородно- цезиевый, сурьмяно-цезиевый).

Фотоэлементы, основанные на внешнем фотоэффекте(вакуумные фотоэлементы). Действие фотоэлементов с внешним фотоэффектом основано на выбивании электронов под действием света из светочувствительного слоя, расположенного на катоде. Катод, как правило, содержит щелочной металл. Все фотоэлементы данного типа выполняются в виде стеклянных сосудов, одна половина которых покрыта светочувствительным слоем, либо внутри помешается светочувствительная пластина (см. рис.6). Перед катодом (катод 1) располагается анод (2), выполненный в виде кольца и служащий для собирания выбитых электронов. Размеры анода должны быть невелики, чтобы не препятствовать свободному доступу света к катоду.

Для изготовления катода чаще всего применяют никель. Выбитые под действием света электроны направляются в сторону анода, и во внешней цепи появляется ток, но эмиссия электрона в таких фотоэлементах так мала, что даже высокочувствительный гальванометр не может зарегистрировать этот ток. Поэтому фотоэлементы соединяют с источником тока (3), поставляющим электроны. Однако и в этом случае ток мал — приборы не в состоянии его зарегистрировать. Для усиления тока ставят электронный усилитель (5) через сопротивление (4), и затем гальванометр (6).

Характеристика:

Достоинства:

1. Выходной прибор может быть грубым, так как питается усиленным
током.

2. Фотоэлемент можно снабдить самописцем.

3. Прибор можно подключить к системе автоматического контроля.

4. Показания фотоэлементов отличаются большой (высокой)
стабильностью при долговременной работе (более 10 лет).

5. Область применения 400-700 нм. .
Недостатки:

1. Фототок очень малый.

2. Для стабилизации работы фотоэлемента требуется внешний источник тока.

3. Обязательно наличие электронного усилителя, что вызывает
увеличения стоимости фотоэлемента.

4. Вакуумные фотоэлементы имеют темновые токи, появляющиеся в
результате термоэлектронной эмиссии и токов проводимости по стеклу. В
современных приборах предусматривается специальное устройство для устранения темновых токов.

Разновидности фотоэлементов

а) сурьмяно-цезиевые фотоэлементы получают конденсацией паров сурьмы на поверхности стекла, при этом получается почти непрозрачный слой металлической сурьмы толщиной около 150 мк. При последующем прогреве сурьмы в парах цезия образуется соединение, обладающее полупроводниковыми свойствами. На поверхности этого слоя абсорбируются атомы цезия, снижающие работу выхода электрона. Для увеличения чувствительности готовая поверхность фотоактивного слоя подвергается действию малых количеств кислорода или паров серы (сенсибилизация фотоэлемента — т.е. повышение его чувствительности).

Характеристика:

1. Фотоэлемент отличается высокой чувствительностью в видимой и
ультрафиолетовой области. Падение чувствительности в далёкой
ультрафиолетовой области объясняется снижением прозрачности баллона для
ультрафиолетовых лучей. В настоящее время для расширения диапазона
чувствительности в стеклянный баллон помещают кварцевые окна.

2. Интегральная чувствительность фотоэлементов достаточно велика 100-
200мА/лм.

3. Характерной особенностью сурьмяно-цезиевые фотоэлементов
является полная независимость их чувствительности при повышении
температуры до 50 °С.

4. Область применения: 210-620 им.

б) кислородно-цезиевые элементы готовят нанесением серебряной подкладки на стеклянные стенки баллона. Затем слои серебра подвергаются окислению на глубину порядка 100*200 молекулярных слоев. Окисленный слой восстанавливается в парах цезия. При этом на шероховатой поверхности катода абсорбируются атомы цезия в количестве, отвечающем, примерно, монослою.

Таким образом, кислородно-цезиевый фотоэлемент состоит из металлической подкладки (серебро), полупроводника в качестве промежуточного слоя и атомов цезия.

Характеристика:

1. Интегральная чувствительность 1-20 мА/лм. Характеристикой данного
фотоэлемента является высокая чувствительность к лучам длинноволновой
части спектра (750-1000), однако, имеется максимум и в ультрафиолетовой
области.

2. Диапазон применения 600-1200 им.

3. Фотоэлемент способен «утомляться», то есть уменьшать силу фототока
при освещении. Причём наибольшее утомление наблюдается при облучении ультрафиолетовым и фиолетовым светом и не наблюдается при облучении красным и инфракрасным светом.

4. Температурная устойчивость к кислородно-цезиевым фотоэлементам меньше, чем у сурьмяно-цезиевых.

10. Принцип работы и устройства однолучевых фотоколориметров.

Оптическая схема фотоколориметров КФК-2, КФК-3.

Фотоэлектроколориметры предназначены для измерения коэффициентов пропускания или оптической плотности растворов. Современные приборы позволяют проводить измерения в видимой области спектра (400–760 нм) и в примыкающих к ней ультрафиолетовой (300–400 нм) и инфракрасной (760–1000 нм) областях. Приемниками излучения являются фотоэлементы разных типов, монохроматорами — светофильтры с шириной полосы пропускания 10–15 нм (интерференционные светофильтры) или 30–50 нм (абсорбционные светофильтры). Спектральные характеристики светофильтров приводятся либо в виде графической зависимости пропускания от длины волны, либо в виде таблиц с указанием длины волны, соотвеетствующей максимальному пропусканию данного светофильтра. В последних моделях колориметров, например КФК-3, в качестве монохроматоров применяют дифракционные решетки.

Принцип работы фотоэлектроколориметров состоит в сравнении интенсивности потоков света, прошедшего через растворитель (I₀) и через исследуемый раствор (I).

Особенностью последних моделей таких приборов – КФК-2МП и КФК-3 – является наличие микропроцессорной системы (МПС), предназначенной для обработки аналоговой информации, поступающей от колориметров. Несомненным достоинством МПС является то, что она в качестве результата измерения выдает непосредственно концентрацию вещества. При этом колориметр КФК-2МП позволяет получать значения концентрации, изменяющейся во времени, через каждые 5 с. На шестиразрядном индикаторном устройстве производится индикация типа выполняемой задачи, результатов ее решения, значений констант градуировочного графика и интервала времени. Колориметр КФК-3 снабжен, кроме того, термопечатающим устройством для вывода результатов измерения на бумажную ленту.

Оптические схемы колориметров КФК-2 и КФК-2МП практически одинаковы (см. рисунок). Спектральные характеристики их светофильтров и цвета видимого света представлены в таблицах ниже.

Волновая оптика. Квантовая оптика. Квантовая механика и ядерная физика, страница 20

          По теории Эйнштейна, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных с поверхности вещества электронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта).

          Энергия падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества А и на сообщение ему кинетической энергии

          .

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта является законом сохранения энергии применительно к этому процессу.    

.                                                             (1)

Из уравнения (1) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов падает (для данного металла А_вых = const.), то при некоторой достаточно малой частоте n=n₀ кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и при дальнейшем понижении частоты фотоэффект прекращается (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, получим          

     или                                                              (2)

Величины λ₀ и n₀ называют красной границей фотоэффекта для данного вещества. Они зависят лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности (в том числе и от наличия или отсутствия на поверхности других веществ).

Применение фотоэффекта

          На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в разных областях науки и техники.

          Фотоэлементы – приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

          В зависимости от вида осуществляемого фотоэффекта, фотоэлементы можно разделить на три группы:

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Простейшим из них является вакуумный фотоэлемент (рис.1). Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окна для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Выводы катода и анода, вмонтированные в пластмассовый цоколь, присоединяются к источнику напряжения. Если на фотокатод подействовать светом, способным вырывать электроны, то по цепи пойдет фототок, интенсивность которого увеличивается при наличии между катодом и анодом ускоряющего напряжения.

          Вакуумные фотоэлементы безынерционны, для них наблюдается пропорциональность между фототоком и  интенсивностью излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов (например, фотоэлектрический  экспонометр, люксметр – измеритель освещенности, и т.д.).

Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов баллон заполняется разреженным газом (Ar или Ne при давлении ~1¸10 Па). Такой фотоэлемент называется газонаполненным. Фототок в таком элементе усиливается вследствие столкновительной ионизации молекул газа фотоэлектронами.

2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет проводить измерения в дальней инфракрасной области спектра (до 3¸4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма- излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

3. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая (подобно элементам с внешним фотоэффектом) строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купоросные, сернисто-серебряные и др. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую.

4. Фотоэлектронные умножители  (ФЭУ), в которых сочетается внешний фотоэффект с эффектом вторичной электронной эмиссии,   происходящей на нескольких динодах. Эти приборы обладают чувствительностью, на несколько порядков большей, чем у фотоэлементов.

Характеристики фотоэлемента

          Основными характеристиками фотоэлемента являются:

          1. Вольтамперная характеристика – зависимость силы фототока от напряжения на фотоэлементе при неизменной освещенности фотокатода.

          2. Спектральная характеристика – зависимость силы фототока от длины волны падающего излучения при неизменной освещенности и неизменном напряжении на фотоэлементе.

          3. Световая характеристика – зависимость силы фототока от величины светового потока данной длины волны при неизменном напряжении на фотоэлементе.

          4. Интегральная чувствительность – отношение силы фототока с суммарной мощности излучения в выбранном диапазоне длин волн.

Вольтамперная характеристика фотоэлемента с внешним фотоэффектом

          На рис.2 приведена вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента, соответствующая двум различным освещенностям фотокатода (частота падающего света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения напряжения фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение фототока I_нас – фототок насыщения – определяется

Реферат «Фотоэлементы и их применение» (11 класс)

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждения Чувашской Республики «Канашский транспортно-энергетический техникум» Министерства образования

и молодежной политики Чувашской Республики

РЕФЕРАТ

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Выполнила

Григорьева А.М.

Канаш, 2019

Содержание

3

1. История открытия фотоэффекта…………………………………………………….…………………………………..

4

2. Фотоэффект и его законы………………………………………………………….…..………………………………….

6

3. Фотоэлементы…………………………………………………..…………………….……..…………………………………

9

3.1 Вакуумный фотоэлемент………………………………………………………….……………………………………..

9

3.2 Полупроводниковые фотоэлементы………………………………………….……………………………………..

11

3.2.1 Солнечные батареи ….…………….……………………………………………..…………………………………….

11

3.2.2 Фоторезистор ..……………………………………………..……………………………………………………………

13

3.2.3 Фотодиод ………….……………………………………………………………..………………………………………..

14

3.2.3 Фототранзистор ..…………………………………………………………………….…………………….…………..

15

4. Применение фотоэлементов….………………………………………………………………………………………….

17

Заключение………………………………………………………………………………….………………………………………

19

Список литературы………………………………….…………………………………….……………………………………..

20

Введение

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. [1]

В системах автоматизации, сигнализации, наблюдения и контроля применяются датчики всевозможных типов: герконовые, резистивные, емкостные, индуктивные, термические, сенсорные, контактные, микроволновые и многие другие, однако чаще всего используются датчики, включающие в себя фотоэлементы. 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 жизни человека.

Интерес в подготовке данного исследовательского проекта вызван желанием узнать,что такое фотоэффект и какое практическое применение нашел фотоэффект в технике.

Цель: изучить явление фотоэффекта и его применение.

Задачи:

1. изучить теоретический материал фотоэффекта;

2. изучить виды фотоэлементов;

3. обобщить применение фотоэлементов

Гипотеза: на основе полученных знаний можно объяснить принцип действия «видящих» автоматов, солнечных электростанций.

Методы исследования: сбор информации, обобщение.

1. История открытия фотоэффекта

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн — парой металлических шаров; при приложении разности потенциалов между ними проскакивала искра. Когда же он освещал один из шаров ультрафиолетовыми лучами, разряд усиливался. Таким образом, был обнаружен внешний фотоэффект.

В 1888 г. Вильгельм Гальвакс установил, что облучённая ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим, не зная об опытах Герца и Гальвакса, его наблюдал в том же году итальянец Аугусто Риги. Он выяснил, что фотоэффект возможен и в металлах, и в диэлектриках. Александр Григорьевич Столетов был четвёртым учёным, независимо от других открывшим фотоэффект. Он два года исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения сначала растёт по мере повышения разности потенциалов, но, достигнув определённого значения (ток насыщения), уже не увеличивается.

В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставалось, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.

Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную картину. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями — оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций — световых квантов (фотонов). Поэтому для возникновения фотоэффекта важна отнюдь не интенсивность падающего светового пучка. Главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода А. В итоге Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта.

Ясно, что фотоэффект может вызывать только световая волна достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества. В 1907 г. Эйнштейн сделал ещё одно уточнение квантовой гипотезы. Почему тело излучает свет только порциями? А потому, отвечал Эйнштейн, что атомы имеют лишь дискретный набор значений энергии. Таким образом, теория излучения и поглощения приняла законченный вид.

В 1922 г. американец Артур Комптон обнаружил, что длинна волны рентгеновского излучения изменяется при рассеянии на электронах вещества. Но, по классической электродинамике, длина световой волны при рассеянии меняться не может! Тогда Комптон выполнил расчёт, предположив, что на электронах рассеиваются не волны, а частицы (фотоны). Результат совпал с экспериментальным. Это стало прямым доказательством реальности существования фотонов.

2. Фотоэффект и его законы

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэффект), либо в изменении электропроводимости вещества или возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна (см. ниже).

Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей; фотоэффект прекратится.

Экспериментальные исследования показали, что термин «красная граница» не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для, переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости,

В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также в том случае, если энергия электрона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.

Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дыр

ки, которые разделяются электрическим полем р-n-перехода; электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки -в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом.

Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.

Законы Фотоэффекта:

• 1-ый закон фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

• 2-ой закон фотоэффект: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

• 3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0 (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v < v0 , то фотоэффект уже не происходит.

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hv каждый (h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:

hv=A+mv²/2 , где mv²/2 –максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

mv²/2 = eU ₃ . U ₃ — задерживающее напряжение.

В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом: интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.

Второй закон следует из уравнения: mv 2 /2=hv-A.

Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта:

v_o=A/h y_o=c/v_o=ch/A.

При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует.

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность, установленную Столетовым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним, а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается: Nhv=A+mv²/2, чему соответствует красная граница.

3. Фотоэлементы

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте

3.1 Вакуумный фотоэлемент

Вакуумный фотоэлемент (Рис1.1), основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода К, на который попадает свет, и анода А. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке 1 дана схема включения фотокатода в цепь.

Рис.1. Рис. 1.1

Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Схема ФЭУ приведена на рис. 2. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э1. В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

Рис. 2.

ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 4.

Световое изображение объекта 1, проецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран Е. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.

Рис. 4.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.

Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система, называемая тепловизором, используется в термографии.

3.2 Полупроводниковые фотоэлементы

3.2.1 Солнечные батареи

Солнечная батарея (вентильные фотоэлементы) — это полупроводниковые устройства, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока. Один из таких фотоэлементов — медно-закисный — представлен на схеме рис. 5.

Рис. 5.

Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Сu2О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аu), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов, в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока.

Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен. На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).

Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т. е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.

Достоинства

1. Общедоступность и неисчерпаемость источника.

2. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

1. Зависимость от погоды и времени суток.

2. Как следствие необходимость аккумуляции энергии.

3. Высокая стоимость конструкции.

4. Необходимость постоянной очистки отражающей поверхности от пыли.

5. Нагрев атмосферы над электростанцией. [10]

Применение солнечных батареек:

1. Портативная электроника

2. Для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т.п.

3. Электромобили (Для их подзарядки)

4. Авиация

5. Одним из проектов по созданию самолета, использующего исключительно энергию солнца, является Solar Impulse.

6. Энергообеспечение зданий

7. Солнечные батареи крупного размера, как и солнечные коллекторы, широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крышах домов.

8. Дорожное покрытие

В 2014 году в Нидерландах открылась первая в мире велодорожка из солнечных батарей. В 2016 году министр экологии и энергетики Франции Сеголян Руаяль заявила о планах построить 1000 км автодорог со встроенными ударо- и термостойкими солнечными панелями. Предполагается что 1 км такой дороги сможет обеспечивать электроэнергетические потребности 5000 людей (без учета отопления).

9. Использование в космосе

Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

Однако при полётах на большом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становится проблематичным, так как поток солнечной энергии обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца. При полётах же к Венере и Меркурию, напротив, мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районе Меркурия в 6 раз).

11. Использование в медицине

Южнокорейские ученые разработали подкожную солнечную батарею. Миниатюрный источник энергии может быть вживлен под кожу человека с целью бесперебойного обеспечения работы приборов, имплантированных в тело, например, кардиостимулятора. Такая батарея в 15 раз тоньше волоса и может заряжаться, если даже на кожу наносится солнцезащитное средство.

3.2.2 Фоторезистор

Фоторезистор — светочувствительный элемент, чье сопротивление уменьшается при интенсивном освещении и увеличивается при его отсутствии. На основании материалов, используемых при производстве, фоторезисторы могут быть разделены на две группы: с внутренним и внешним фотоэффектом. В производстве фоторезисторов с внутренним фотоэффектом используют нелегированные материалы, такие как кремний или германий.

Фотоны, которые попадают на устройство, заставляют электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса появляется большое количество свободных электронов в материале, тем самым улучшается электропроводность и, следовательно, уменьшается сопротивление. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам.

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом производятся из материалов, с добавлением примеси, называемой легирующая добавка. Легирующая добавка создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии, чтобы совершить переход в зону проводимости благодаря меньшей энергетической щели. Результат этого – фоторезистор чувствителен к различным длинам волн света.

Несмотря на все это, оба типа демонстрируют уменьшение сопротивления при освещении. Чем выше интенсивность света, тем больше падает сопротивление. Следовательно, сопротивлением фоторезистора является обратная, нелинейная функция интенсивности света.

Фоторезистор очень чувствителен к малейшему изменению света. Его устанавливают в фокус телескопа и измеряют температуру звёзд. Он чувствителен к инфракрасным лучам и используется в инфракрасной технике. Фоторезисторы чаще всего используются в качестве датчиков света, когда требуется определить наличие или отсутствие света или зафиксировать интенсивность света. Примерами являются автоматы включения уличного освещения и фотоэкспонометры

Фоторезистор используется в фотореле. Под действием света увеличивается сила тока в фоторезисторе. Срабатывает электромагнитное реле, которое включает уличное освещение, бакены, различные схемы автоматики и телемеханики. Но фотореле инерционное. Срабатывает через доли секунды, т.к. инерционен фоторезистор.

3.2.3 Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковый диод, который обладает свойством односторонней проводимости при воздействия на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, обычно с электронно — дырочным переходом. Он снабжен двумя металлическими выводами и вмонтированный в пластмассовый или же в металлический корпус.

Достоинства фотодиодов

• стабильность фототока;

• линейный характер зависимости тока от освещённости;

• низкое входное сопротивление при прямом включении;

• нетребовательность к температурному режиму

Применение фотодиодов.

1. Оптоэлектронные интегральные микросхемы.

2. Полупроводники обеспечивают оптическую связь, что гарантирует эффективную гальваноразвязку силовых и руководящих цепей при поддержании функциональной связи/

3. Многоэлементные фотоприемники – сканисторы, фоточувствительные аппараты, фотодиодные матрицы.

4. Оптоэлектрический элемент способен воспринимать не только яркостную характеристику объекта и ее изменение во времени, но и создавать полный визуальный образ.

5. Другие сферы использования: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры, установки эмиссионно-позитронной томографии.

3.2.3 Фототранзистор

Фототранзистор представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с внутренним усилением. Фототранзисторы способны реагировать не только на обычное освещение, но и на инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Фототранзисторы более чувствительные и создают больший ток по сравнению с фотодиодами.

Обычный транзистор состоит из коллектора, эмиттера и базы. В работе фототранзистора, как правило, вывод базы остается отключенным, так как свет генерирует электрический сигнал, позволяющий току протекать через фототранзистор.

При отключенной базе, коллекторный переход фототранзистора смещен в обратном, а эмиттерный переход — в прямом направлении. Фототранзистор остается неактивным до тех пор, пока свет не попадает на базу. Свет активирует фототранзистор, образуя электроны и дырки проводимости — носители заряда, в результате чего через коллектор — эмиттер протекает электрический ток.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Преимущества

• Выдают ток больше, чем фотодиоды.

• Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.

• Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.

• Невысокая стоимость.

Недостатки

• Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.

• Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.

• Фототранзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.

Применение

1. Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).

2. Фотореле.

3. Системы расчета данных и датчики уровней.

4. Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные фототранзисторы).

5. Компьютерные управляющие логические системы.

6. Кодеры.

4. Применение фотоэлементов в

Фотоэлементы нашли широкое применение в самых разных сферах деятельности человека. 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. По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.

1. Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.

2. 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.

3. На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.

4. 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.

5. 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.

6. В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.

7. 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.

8. 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.

—

Заключение

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света.

Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы.

Список источников

1. Гирицкий Е.В. Элементы квантовой механики. — К.: Освита, 1988.

2. Дягилев Ф.М. Квантовая механика. — М.: Просвещение, 1986. .

3. Ремизов А.Н. Медицинская биофизика. — М.: Высшая школа, 1987. — С. 487 — 491.

4. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. — М.: Наука, Гл. редакция физико-математической литературы, 2002.

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%86%D0%B5 – Солнце,

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/ -Фотоэлемент

7. tp://ru.wikipedia.org/wiki/ — Солнечная батарея

8. http://galspace.spb.ru/index115.html — Солнечная энергия — будущее Земли

Как работает фотоэлемент и фотосенсор, из чего он состоит и как устроен

Слово фотоэлемент является общим названием многочисленной группы электронных приборов, так или иначе реагирующих на свет.

У некоторых из этих — фотоэлементов свет используется для той же цели, что и нагрев у рассмотренных до этого приборов, т. е. для получения рабочего потока электронов.

У таких приборов есть фотокатоды, которые при их освещении начинают испускать электроны, причем количество излучаемых электронов пропорционально интенсивности освещения.

Подобные фотоэлементы получили название фотоэлементов с внешним фотоэффектом (электроны вылетают из катода во внешнее пространство). Фотоэлементы этого типа находят теперь широчайшее применение.

Например, они используются в звуковом кино, где превращают оптическую запись — фонограмму — в электрические колебания соответствующей звуковой частоты.

Рис. 1. Как работает фотоэлемент.

В фотоэлементах другого типа под воздействием освещения не происходит вылета электронов во внешнее пространство. Их освещение приводит лишь к тому, что некоторая часть электронов, ранее связанных с атомами вещества, вырывается из этих связей и получает возможность свободного передвижения внутри вещества, т. е. получает возможность образовывать электрический ток.

Поэтому у этих фотоэлементов под воздействием освещения изменяется электропроводимость (изменяется сопротивление электрическому току).

Фотоэлементы такого типа получили название фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, так как «освобожденные» в результате освещения электроны остаются внутри тела. Их называют также фотосопротивлениями.

Такие фотоэлементы тоже находят самое широкое применение в технике; в частности, они используются в некоторых телевизионных передающих трубках (видиконах).

Существует группа фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, которые в силу некоторых своих особенностей (существования так называемого запирающего слоя) при их освещении становятся источниками электроэнергии.

Фотоэлементы этого типа называют вентильными. Такие фотоэлементы (селеновые) работают в общеизвестных фотоэкспонометрах, при помощи которых определяют экспозицию при фотосъемке. Кремниевые фотоэлементы такого же типа известны под названием солнечных батарей.

Рис. 2. Внутренний фотоэффект.

Рис. 3. Газы внутри фотоэлемента.

Они применены для питания радио- и электроаппаратуры в третьем советском спутнике и на космических ракетах-лунниках и начинают использоваться для питания переносных радиоприемников.

Следует отметить, что термин «освещение» в известной степени условен. Его не нужно понимать как освещение только видимыми световыми лучами. Фотоэлементы реагируют на воздействие и инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами.

Здесь мы рассмотрим лишь фотоэлементы первой группы — с внешним фотоэлементом, поскольку остальные фотоэлементы принадлежат к группе полупроводниковых приборов.

Работа фотоэлементов с внешним фотоэффектом основана на использовании фотоэлектронной эмиссии — явления, наблюдающегося у некоторых металлов (излучение электронов под воздействием падающих на них лучей света).

Наиболее распространенным материалом для фотокатодов служит цезий, обычно не в чистом виде, а в соединениях с другими веществами. Чаще других применяются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые катоды.

Основой фотоэлемента служит стеклянный баллон, примерно половина внутренней поверхности которого покрывается светочувствительным слоем и образует фотокатод.

Свет или какие-либо невидимые і лазом лучи, попадая через прозрачную часть баллона на фотокатод, вырывают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности облучения (при освещении видимыми световыми лучами — пропорционально силе света).

Для вывода электронов во внешние цепи служит небольшой анод, обычно кольцеобразной формы, располагающийся в середине баллона. Кольцеобразная форма придается аноду для того, чтобы он не являлся препятствием для лучей, падающих на катод.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение около 150—250 в, в результате действия которого все электроны, вырываемые светом из катода, устремляются к аноду и образуют ток во внешней цепи, соединяющей анод с катодом.

Эмиссия электронов из фотокатодов сравнительно незначительна, поэтому токи, даваемые фотоэлементами, малы. Чтобы несколько увеличить их, в баллоны фотоэлементов иногда вводят некоторое количество какого-нибудь инертного газа, например аргона.

Такие фотоэлементы носят название газонаполненных. Увеличение анодного тока происходит в газонаполненных фотоэлементах вследствие ионизации газа. Вырванные из катода электроны сталкиваются на своем пути к аноду с частицами газа и выбивают из них электроны — один или несколько.

Эти электроны, появившиеся в результате ионизации, включаются в общий электронный поток и устремляются к аноду. В то же время положительные ионы (атомы газа), потерявшие часть своих электронов, притягиваются к отрицательно заряженному катоду, ударяются об его поверхность и выбивают из нее еще некоторое количество электронов, которые тоже устремляются к аноду.

Оставшиеся свободными электронные орбиты положительных ионов заполняются при этом электронами, но количество выбитых электронов бывает большим, чем нужно для заполнения пустых орбит у ионов, поэтому электронный поток в таком газонаполненном фотоэлементе при одинаковой интенсивности воздействующего облучения бывает значительно больше, чем в вакуумном. В фотоэлементах, содержащих газ под давлением порядка 10^-2 мм рт. ст., удается добиться увеличения тока в 5—8 раз по сравнению с вакуумными фотоэлементами.

Газонаполненные фотоэлементы легко отличить от вакуумных по букве «Г», имеющейся в их обозначении. Эта буква обозначает «газонаполненный». Так, например, обозначение ЦГ-3 расшифровывается как фотоэлемент цезиевый, газонаполненный, третий тип.

Но и газонаполненные фотоэлементы дают очень небольшие токи, измеряемые микроамперами. Поэтому при их использовании приходится применять ламповые усилители.

Как уже отмечалось, фотоэлементы всех типов и видов находят в современной науке и технике самое широкое и разнообразное применение. В особенности расширились области применения фотоэлементов в последние годы в связи с массовым применением автоматизированных устройств. Существенной частью таких устройств во многих случаях является именно фотоэлемент.

Фотоэлементы позволили осуществить одно из величайших достижений современной техники—телевидение. Однако в телевидении трудно применить фотоэлементы того вида, с которым мы только что познакомились.

Любой из тех фотоэлементов, о которых мы говорили, реагирует лишь на общую интенсивность падающего на него светового потока. Катод фотоэлемента представляет собой единое целое.

Ток, который дает этот катод, зависит от величины светового потока, падающего на катод. Если, скажем, половину поверхности катода затемнить, но световой поток, падающий на его вторую половину, увеличить вдвое, то ток, даваемый катодом, не изменится. Таким образом, по току катода фотоэлемента нельзя судить о том, как освещены его отдельные участки.

Фотоэлемент регистрирует лишь суммарную освещенность всей поверхности его катода Если бы мы хотели осуществить при помощи фотоэлементов «видящее» устройство, то от каждой отдельной точки изображения надо было бы получать отдельный ток, который не смешивался бы с токами от других точек. Так устроен и наш глаз.

Рис. 4. Передача изображения — прием фотосенсорами и отображение лампочками.

Сетчатая оболочка глаза, на которую хрусталиком, проектируется изображение, представляет собой собрание миллионов светочувствительных окончаний зрительного нерва, причем от каждого из этих окончаний в мозговые центры идет отдельное нервное волокно, отдельный «провод», по которому передается информация о количестве света, воспринятого данным окончанием.

Первоначальные проекты телевизионных устройств представляли собой в сущности повторение устройства глаза. В них применялось по возможности большое количество фотоэлементов, расположенных на плоскостях в шахматном порядке.

На эту плоскость проектировалось передаваемое изображение. Каждый фотоэлемент воспринимал такое количество света, какое соответствовало спроектированной на него части изображения.

От всех фотоэлементов шли отдельные провода к усилителям и далее к лампочкам, размещенным в таком же шахматном порядке, как фотоэлементы. Яркость свечения лампочки зависит от количества света, упавшего на соединенный с нею фотоэлемент.

Разумеется, такую систему осуществить нельзя. Если применить незначительное количество фотоэлементов и лампочек, то изображение будет слишком грубым, нечетким.

Применить же такое их количество, какое нужно для достаточной четкости передаваемых изображений (несколько сотен тысяч), практически невозможно.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

Фотоэлектрический эффект — Гипертекст по физике

Обсуждение

дилемма

При определенных обстоятельствах свет можно использовать для выталкивания электронов, освобождая их от поверхности твердого тела. Этот процесс называется фотоэффектом (или фотоэмиссией или фотоэмиссией ), материал, который может проявлять это явление, называется фотоэмиссионным , а выброшенные электроны называются фотоэлектронами ; но нет ничего, что отличало бы их от других электронов.Все электроны идентичны друг другу по массе, заряду, спину и магнитному моменту.

Фотоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1887 году Генрихом Герцем во время экспериментов с генератором искрового разрядника (самое раннее устройство, которое можно было назвать радио). В этих экспериментах искры, возникающие между двумя небольшими металлическими сферами в передатчике, вызывают искры, которые прыгают между двумя разными металлическими сферами в приемнике. По сравнению с более поздними радиоустройствами, с генератором искрового разрядника было заведомо трудно работать.Воздушный зазор часто должен быть меньше миллиметра, чтобы приемник надежно воспроизводил искру передатчика. Герц обнаружил, что он может повысить чувствительность своего устройства с искровым разрядником, освещая его видимым или ультрафиолетовым светом. Более поздние исследования J.J. Томсон показал, что эта повышенная чувствительность была результатом воздействия света на электроны — частицы, которую он обнаружил в 1897 году.

Хотя это интересно, вряд ли это удивительно. Все формы электромагнитного излучения переносят энергию, и довольно легко представить, что эта энергия используется для выталкивания крошечных частиц с отрицательным зарядом с поверхности металла, где они изначально не так сильно ограничены.Однако эпоха современной физики — это одно из совершенно неожиданных и необъяснимых открытий. Последующие исследования фотоэлектрического эффекта дали результаты, не укладывающиеся в классическую теорию электромагнитного излучения. Когда он взаимодействовал с электронами, свет просто не вел себя так, как предполагалось. Теоретически для устранения этой разрыва требовалось нечто большее, чем просто заплатка. Это означало перестроить большую часть физики с нуля.

Именно Филипп Ленард, помощник Герца, провел самые ранние и окончательные исследования фотоэлектрического эффекта.Ленард использовал металлические поверхности, которые сначала очищались, а затем выдерживались под вакуумом, так что эффект можно было изучить только на металле и не подвергался никаким поверхностным загрязнениям или окислению. Металлический образец помещался в вакуумированную стеклянную трубку со второй металлической пластиной, установленной на противоположном конце. Затем трубку устанавливали или ограничивали таким образом, чтобы свет падал только на первую металлическую пластину, сделанную из исследуемого фотоэмиссионного материала. Такая трубка называется фотоэлементом (формально) или электрическим глазом (неофициально).Ленард подключил свой фотоэлемент к цепи с регулируемым источником питания, вольтметром и микроамперметром, как показано на схеме ниже. Затем он осветил фотоэмиссионную поверхность светом разной частоты и интенсивности.

Выбивая электроны из фотоэмиссионной пластины, она получит небольшой положительный заряд. Поскольку вторая пластина была соединена с первой проводкой схемы, она тоже стала бы положительной, что затем привлекло бы фотоэлектроны, свободно плавающие в вакууме, где они приземлились бы и вернулись обратно к пластине, с которой они начали.Имейте в виду, что этот эксперимент не создает электроны из света, он просто использует энергию света, чтобы толкать электроны, которые уже находятся в цепи. Фотоэлектрический ток, генерируемый этим средством, был довольно небольшим, но его можно было измерить с помощью микроамперметра (чувствительного гальванометра с максимальным отклонением всего в несколько микроампер). Он также служит мерой скорости, с которой фотоэлектроны покидают поверхность фотоэмиссионного материала.

Обратите внимание, как источник питания подключен к цепи — отрицательный конец подсоединен к пластине, которая не подсвечивается.Это создает разность потенциалов, которая пытается вытолкнуть фотоэлектроны обратно на фотоэмиссионную поверхность. Когда источник питания установлен на низкое напряжение, он захватывает наименее энергичные электроны, уменьшая ток через микроамперметр. Повышение напряжения заставляет все больше энергичных электронов возвращаться, пока, наконец, ни один из них не сможет покинуть металлическую поверхность, и микроамперметр не покажет ноль. Потенциал, при котором это происходит, называется останавливающим потенциалом . Это мера максимальной кинетической энергии электронов, испускаемых в результате фотоэлектрического эффекта.

Ленард обнаружил, что интенсивность падающего света не влияет на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. Те, что испускались в результате воздействия очень яркого света, имели такую ​​же энергию, как и те, которые испускались в результате воздействия очень тусклого света с той же частотой . Однако в соответствии с законом сохранения энергии из яркого источника было выброшено больше электронов, чем из тусклого.

Более поздние эксперименты, проведенные другими, в первую очередь американским физиком Робертом Милликеном в 1914 году, показали, что свет с частотами ниже определенного значения отсечки, называемого пороговой частотой , не выбрасывает фотоэлектроны с поверхности металла, независимо от того, насколько ярким был источник.Эти результаты были совершенно неожиданными. Учитывая, что можно перемещать электроны с помощью света и учитывая, что энергия в луче света связана с его интенсивностью, классическая физика предсказывала бы, что более интенсивный луч света будет излучать электроны с большей энергией, чем менее интенсивный луч нет неважно какая частота . Однако это было не так.

Красный свет не испускает фотоэлектронов (даже если он очень яркий). Зеленый свет действительно излучает фотоэлектронов (даже если он очень тусклый). Синий свет выбрасывает фотоэлектроны с большей энергией, чем зеленый свет (даже если он очень тусклый).

На самом деле, возможно, эти результаты не так уж типичны. Большинство элементов имеют пороговые частоты, которые являются ультрафиолетовыми, и только некоторые из них опускаются достаточно низко, чтобы быть зелеными или желтыми, как в примере, показанном выше. Все материалы с самыми низкими пороговыми частотами являются полупроводниками. Некоторые имеют пороговые частоты в инфракрасной области спектра.

Классическая модель света описывает его как поперечную электромагнитную волну.В конце XIX века в этом не было сомнений. Волновая природа света была подтверждена, когда ее успешно применили для объяснения таких оптических явлений, как дифракция, интерференция, поляризация, отражение и преломление. Если мы можем представить свет как волны в электромагнитном океане и добиться в этом успеха, то для нас не составит большого труда изобразить электроны на металлической поверхности как нечто вроде привязанных буев, плавающих в электромагнитной гавани. Вместе с ними приходят волны (свет), которые тянут и тянут буи (электроны).Слабые волны не действуют, но сильные могут просто выдернуть буй из причала и бросить его по течению. Волновая модель света предсказывала бы отношение энергии-амплитуды, а не отношение энергии-частоты, описанное выше. Фотоэлектрические эксперименты описывают электромагнитный океан, в котором чудовищные волны не опрокинут каноэ, а крохотная рябь подбросит вас в воздух.

Если этого было недостаточно, фотоэлектроны, кажется, слишком быстро выскакивают из поверхности. Когда интенсивность света очень низкая, скорость, с которой энергия доставляется к поверхности, совершенно вялая.Любому электрону требуется некоторое время, чтобы захватить достаточно этой диффузной энергии, чтобы освободиться. Должен, но это не так. В тот момент, когда свет соответствующей частоты любой интенсивности падает на фотоэмиссионную поверхность, по крайней мере, один электрон всегда вылетает немедленно ( t <10 ⁻⁹ с). Продолжая аналогию с океаном, представьте себе гавань, полную маленьких лодок (электронов). Море спокойное, за исключением крошечной ряби на поверхности (низкая интенсивность, коротковолновый свет).Большинство лодок в гавани не подвержены воздействию этих волн, но одну из них вырывают из гавани и отправляют вверх, как реактивный самолет. Что-то здесь просто не так. Никакие механические волны не ведут себя так, а вот свет.

новая идея

Двумя факторами, влияющими на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, являются частота падающего излучения и материал на поверхности. Как показано на графике ниже, энергия электронов увеличивается с частотой простым линейным образом выше порогового значения.Все три кривые имеют одинаковый наклон (равный постоянной Планка ), что показывает, что отношение энергии к частоте является постоянным для всех материалов. Фотоэмиссия ниже пороговой частоты не происходит. Каждая кривая имеет различную точку пересечения на оси энергии, которая показывает, что пороговая частота является функцией материала.

Увеличить

Гений, который понял, что здесь происходит, был никто иной, как самый известный в мире физик Альберт Эйнштейн.В 1905 году Эйнштейн осознал, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из крошечных частиц (первоначально называвшихся квантов , а затем фотонов ), и что энергия каждой частицы была пропорциональна частоте электромагнитного излучения, которой она являлась. часть. Вспомните из предыдущего раздела этой книги, что Макс Планк изобрел понятие квантованного электромагнитного излучения как способ решения технической проблемы с идеализированными источниками электромагнитного излучения, называемыми черными телами.Напомним также, что Планк не верил, что излучение на самом деле разбивается на маленькие части, как показал его математический анализ. Он думал, что все это было всего лишь изобретением, которое дало ему правильные ответы. Гений Эйнштейна заключался в признании того, что изобретение Планка на самом деле было разумным описанием реальности. То, что мы воспринимаем как непрерывную волну электромагнитного излучения, на самом деле является потоком дискретных частиц.

Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die «schwarze Strahlung», Photolumineszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez.Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verstandlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdencle Räume verteilt, sondvern oh esquten bestehten Diesel Endgenne aus teilen und nur als Ganze Absorbert und erzeugt werden können.

Альберт Эйнштейн, 1905

На самом деле, мне кажется, что наблюдения «излучения черного тела», фотолюминесценции, образования катодных лучей ультрафиолетовым светом и других явлений, связанных с излучением или преобразованием света, можно лучше понять, если предположить, что энергия свет распространяется в пространстве прерывисто. Согласно рассмотренному здесь допущению, когда световой луч, исходящий из точки, распространяется, энергия не распределяется непрерывно по постоянно увеличивающемуся объему, а состоит из конечного числа квантов энергии, локализованных в пространстве, которые движутся, не разделяясь. и которые могут поглощаться или выделяться только целиком.

Альберт Эйнштейн, 1905

уравнения

Эйнштейн и Милликен описали фотоэлектрический эффект с помощью формулы (в современных обозначениях), которая связывает максимальную кинетическую энергию ( K _max ) фотоэлектронов с частотой поглощенных фотонов ( f ) и пороговой частотой ( f ₀ ) фотоэмиссионной поверхности.

K _макс = h ( f — f ₀ )

или, если хотите, энергии поглощенных фотонов ( E ) и работы выхода (φ) поверхности

K _макс = E — φ

, где первый член — это энергия поглощенных фотонов ( E ) с частотой ( f ) или длиной волны (λ)

, а второй член — работа выхода (φ) поверхности с пороговой частотой ( f ₀ ) или пороговой длиной волны (λ ₀ )

Максимальная кинетическая энергия ( K _max ) фотоэлектронов (с зарядом e ) может быть определена из тормозящего потенциала ( В, ₀ ).

Таким образом…

K _макс = эВ ₀

Когда заряд ( e ) выражается в кулонах, энергия рассчитывается в джоулях. Когда заряд ( e ) задан в элементарных зарядах, энергия будет рассчитана в электрон-вольт . В результате получается множество констант. Используйте тот, который больше всего подходит для вашей проблемы.

Наконец, скорость ( n / t ), с которой фотоэлектроны (с зарядом e ) испускаются с фотоэмиссионной поверхности, может быть определена по фотоэлектрическому току ( I ).

Таким образом…

технология

• «электрический глаз», экспонометр, звуковая дорожка для кинофильма
• фотопроводимость: увеличение электропроводности неметаллического твердого тела при воздействии электромагнитного излучения.Увеличение проводимости связано с добавлением свободных электронов, высвобождаемых при столкновении с фотонами. Скорость, с которой генерируются свободные электроны, и время, в течение которого они остаются свободными, определяет величину увеличения.
• фотогальваника: выброшенный электрон проходит через излучающий материал, чтобы войти в твердый электрод, контактирующий с фотоэмиттером (вместо путешествия через вакуум к аноду), что приводит к прямому преобразованию лучистой энергии в электрическую энергию
• фотостатическое копирование

Фотоэлемент — обзор | Темы ScienceDirect

14.2 Теоретическая эффективность

В этом разделе мы выводим теоретическую эффективность фотоэлементов без прямой ссылки на точный механизм их реализации, за исключением того, что мы предполагаем, что все ячейки должны выполнять функции генерации несущих и разделения несущих. Эти функции могут выполняться как в одной и той же области клетки, так и в отдельных.

При общем обсуждении эффективности фотоэлементов в этом разделе мы предполагаем, что функция разделения носителей выполняется без каких-либо потерь и что одна электронно-дырочная пара создается для каждого падающего фотона с энергией hf ≥ Wg . ⁷

Мы будем называть Wg энергией запрещенной зоны , хотя в некоторых ячейках требуемая энергия не связана с подъемом электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Мы также предполагаем, что материал прозрачен для фотонов с энергией менее Wg . Эти фотоны не взаимодействуют с фоточувствительным материалом и, следовательно, не имеют фотоэлектрического эффекта. Наконец, мы предполагаем, что все фотоны с энергией выше запрещенной зоны вносят в нагрузку количество электроэнергии, точно равное Wg .Избыточная энергия hf-Wg просто превращается в тепло и представляет собой потерю.

Подходящий материал — обычно полупроводник — будет прозрачным или непрозрачным для фотона в зависимости от частоты последнего. Точная граница между прозрачностью и непрозрачностью зависит от типа рассматриваемого материала. Таблица 14.2 отображает данные для некоторых полупроводников. Алмазы — форма углерода, которая кристаллизуется так же, как кремний и германий, обладая высокой устойчивостью к нагреванию и излучению, являются многообещающим материалом для транзисторов, которые должны работать в агрессивных средах.

Таблица 14.2. Пределы поглощения света для некоторых полупроводников

В упрощенном виде обсуждается механизм, который приводит к созданию энергетических диапазонов в твердых телах. Раздел 14.11.1.1 «Зонная структура в неорганических полупроводниках».

Структура, которая под действием света вырабатывает электрическую энергию, представляет собой фотоэлектрический элемент или просто фотоэлемент . Фотоэлементы из массивных полупроводников именуются фотодиодами .

Фотоэлектрические (PV) элементы, подвергающиеся воздействию монохроматического света, теоретически могут достигать 100% эффективности преобразования излучения в электрическую энергию. В большинстве случаев фотоэлементы подвергаются широкополосному излучению, то есть потоку фотонов разной энергии.В таких условиях эффективность ограничивается двумя механизмами, описанными на предыдущей странице:

1.

Более слабые фотоны (с частотой ниже заданной) не могут взаимодействовать с материалом.

2.

Более энергичные фотоны доставляют нагрузке только часть энергии, остальная термализуется.

Во всех случаях, рассматриваем ли мы идеальные или практичные устройства, их эффективность определяется как отношение мощности PL, подаваемой на нагрузку, к мощности Pin падающего излучения

(14.1) η≡PLPin.

Характеристики широкополосного излучения можно описать, указав плотность мощности ΔP излучения в заданном интервале частот Δf, как это было сделано для солнечного излучения в таблице 12.1 (глава 12). В качестве альтернативы, доведя до предела отношение ΔP / Δf, можно написать уравнение, выражающее зависимость ∂P / ∂f от f. Таким образом, полная падающая плотность мощности равна

(14.2) Pin = ∫0∞∂P∂fdf.

В случае черного тела ∂P / ∂f задается уравнением Планка ,

(14.3) ∂P∂f = Af3ehfkT-1

, где A — постоянная, имеющая единицы измерения Вт · м-2 Гц-4. Следовательно,

(14.4) Pin = A∫0∞f3ehfkT-1df.

Пусть x≡hfkT, тогда

(14,5) df = kThdxandf3 = kTh4x3.

(14.6) Pin = AkTh5∫0∞x3ex-1dx

Определенный интеграл ∫0∞x3ex-1dx имеет значение π4 / 15, поэтому

(14.7) Pin = AkTh5π415 = aT4,

где a ( Вт м-2К-4) также является постоянной величиной.

Когда температура радиатора черного тела увеличивается, увеличивается не только общая мощность P (уравнение.14.7), но, кроме того, пиковое излучение смещено в сторону более высоких частот, как это видно из рисунка 14.3. Существует простая взаимосвязь между частотой, fpeak и температурой T.

Рисунок 14.3. Пик кривой p vs f для черного тела смещается в сторону более высоких частот при повышении температуры.

Пропорциональность между плотностью мощности света и четвертой степенью температуры связана с законом Стефана-Больцмана .

Из уравнения.14.3 мы видим, что форма кривой распределения определяется коэффициентом f3ehfkT-1. Пик возникает, когда

(14,8) ddff3ehfkT-1 = 0.

Сделав замену x≡hfkT и взяв производную, получим

(14.9) (3-x) expx-3 = 0,

, численное решение которого равно x = 2,821. Из определения x,

(14.10) fpeak = khxT = 59.06 × 109T.

Для T = 6000K, fpeak = 354Thz.

Связь между fpeak и T — это закон смещения Вина .

Полезно связать полный поток фотонов ϕ, который при заданном спектральном распределении соответствует плотности мощности Pin. Рассмотрим небольшой частотный интервал Δf с центром на частоте f. Поскольку каждый фотон имеет энергию hf, плотность мощности излучения в этом интервале составляет

(14.11) ΔP = ΔϕhfW / m2,

где Δϕ — поток фотонов (фотонов м-2с-1) в рассматриваемом интервале. В пределе, когда Δf → 0 (и деля обе части на df),

(14.12) dϕdf = 1hf∂P∂f,

и

(14,13) ϕ = 1h∫0∞1f∂P∂fdf.

Уточнение для случая черного тела и, еще раз, допущение x≡hf / kT,

(14.14) ϕ = Ah∫0∞1ff3ehfkT-1df = Ah∫0∞f2ehfkT-1df,

(14.15) ϕ = AhkTh4∫0∞x2ex-1dx = 2,404AhkTh4.

, поскольку в данном случае определенный интеграл имеет значение 2,404.

Еще для излучения черного тела мы можем найти отношение плотности мощности света к соответствующему потоку фотонов. Из уравнений. 14.7 и 14.15,

(14.16) Pϕ = AkTh5π4152,404AhkTh4 = 37,28 × 10-24T.

Следует отметить, что приведенная выше формула действительна только в том случае, если рассматривается полный спектр. Для усеченного спектра, для мгновенного спектра, в котором некоторые области удалены фильтром, необходимо отдельно рассчитать полную плотность мощности P и полный поток фотонов ϕ и сформировать соотношение.

Неудивительно, что отношение полной мощности к общему потоку фотонов увеличивается пропорционально температуре, потому что, как мы видели при выводе закона смещения Вина, чем выше температура, тем больше энергии имеет средний фотон.

Пример 14.1

Каков поток фотонов, когда свет, излучаемый черным телом при 6000 К, имеет плотность мощности 1000 Вт / м2? Из уравнения. 14,16,

(14,17) Phi = P37.28 × 10-24T = 100037,28 × 10-24 × 60004,47 × 1021м-2с-1.

Для идеального случая КПД устройства конечно

(14,18) ηideal = PLidealPin.

Теперь нам нужно знать PLideal.

Если широкополосное излучение падает на полупроводник с шириной запрещенной зоны, Wg = hfg, фотоны с частотой f

(14.19) GL = 1P∫0fg∂P∂fdf,

от полной плотности мощности излучения Pin будет потеряна.

Пусть ϕg — полный поток фотонов с f> fg. Каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару с энергией hf. Однако, как уже говорилось, энергия, превышающая Wg, будет случайной и будет отображаться в виде тепла, и каждый фотон дает только Wg джоулей в электрическую мощность. Полезная электрическая энергия (энергия PL, переданная в нагрузку) составит,

(14.20) PL = ϕgWgW / m2.

Поток фотонов с энергией больше hfg равен (адаптируя уравнение

(14.21) ϕg = 1h∫fg∞1f∂P∂fdf.

Полезная мощность составляет

(14.22) PL = hfgϕg = fg∫fg ∞1f∂P∂fdf,

, а эффективность —

(14.23) ηideal = PLPin = fg∫fg∞1f∂P∂fdf∫0∞∂P∂fdf.

Обратите внимание, что ηideal зависит только от спектрального распределения и на Wg полупроводника. Он полностью игнорирует способ работы устройства. В отличие от эффективности реальных фотоэлементов, ηideal не зависит от уровня освещенности.Опять же, для черного тела

(14,24) ϕg = Ah∫fg∞f2ehfkT-1df = AhkTh4∫X∞x2ex-1dx,

, где X = hfg / kT = qVg / kT.

Должно быть очевидно, что отношение σ≡ϕg / ϕ зависит только от природы рассматриваемого излучения, а не от его интенсивности. Отношение составляет

(14,25) σ≡ϕgϕ = ∫X∞x2ex-1dx∫0∞x2ex-1dx = ∫X∞x2ex-1dx2.404 = 0,416∫X∞x2ex-1dx

Для излучения черного тела 6000 K , отношение является фиксированным 0,558, если Wg = 1,1 эВ, ширина запрещенной зоны кремния. Тогда идеальный КПД фотодиода составляет

(14.26) ηideal = 15π4hk4fgT4∫fg∞f2ehfkT-1df.

Удобнее работать с напряжением запрещенной зоны Vg вместо соответствующей частоты fg = qhVg,

(14,27) ηideal = 15π4hk4qhVgT4∫qVgh∞f2ehfkT-1df.

Пусть x≡hfkT как и раньше,

(14.28) ηideal = 15π4hk4qhkTh4VgT4∫qVgkT∞x2ex-1dx = 15π4qkVgT∫qVgkT∞x2ex-1dx = 1780VgT∫qVgkTdx.

Нижний предел интеграла — это значение x, соответствующее fg.

Аналитического решения предыдущего интеграла не существует, но его можно решить численно или по таблице в Приложении A к этой главе можно определить значение определенного интеграла (который, конечно, является простым числом, функция нижней границы интеграла).

Пример 14.2

Каков поток фотонов с большей энергией, чем у кремниевой запрещенной зоны (1,1 эВ, т. Е. Vg = 1,1 В), когда свет, излучаемый черным телом с температурой 6000 К, имеет плотность мощности 1000Вт / м2? Уравнение 14.25 дает нам отношение σ между ϕg и ϕ. Для конкретной комбинации этого примера (Vg = 1,1 В и T = 6000 K) отношение составляет 0,558, а из примера 14.2 ϕ = 4,47 × 1021 фотонов м-2с-1. Следовательно,

(14,29) ϕg = σϕ = 0,558 × 4,47 × 1021 = 2,49 × 1021 фотон · м-2 · с-1.

Пример 14.3

Какова идеальная эффективность фотоэлемента в условиях предыдущего примера? Используя уравнение. 14,28,

(14,30) ηideal = 17801,16000∫2,125∞x2ex-1dx.

   
 Статья о фотоэффекте  
 в  
 RP Photonics Encyclopedia   

   
  alt = "article">   

  * [https://www.rp-photonics.com/photoelectric_effect.html 
 статья «Фотоэлектрический эффект» в энциклопедии RP Photonics]