Фотоэлемент

электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (Фотоэдс)или электрический ток (фототок). Действие Ф. основывается на фотоэлектронной эмиссии (См. Фотоэлектронная эмиссия) или фотоэффекте внутреннем (См. Фотоэффект внутренний).

Ф., действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой (рис., а) электровакуумный прибор с 2 электродами – Фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. В газонаполненных Ф. в результате ионизации (См. Ионизация)газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах (См. Электрический разряд в газах) фототок усиливается. Наиболее распространены Ф. с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.

Ф., действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, – полупроводниковый прибор с гомогенным электронно-дырочным переходом (См. Электронно-дырочный переход)(р–n-переходом) (рис., б), полупроводниковым гетеропереходом (См. Полупроводниковый гетеропереход) или контактом металл-полупроводник (см. Шотки диод). Поглощение оптического излучения в таких Ф. приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника (См. Полупроводники). Под действием электрического поля перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (например, в Ф. с р–n-переходом электроны накапливаются в n-oбласти, а дырки – в р-области), в результате между слоями возникает фотоэдс; при замыкании внешней цепи Ф. через нагрузку начинает протекать электрический ток. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Ф., служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.

Ф. обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света (См. Приёмники излучения) (полупроводниковые Ф. в этом случае нередко отождествляют с Фотодиодами); полупроводниковые Ф. используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях (См. Солнечная батарея), фотоэлектрических генераторах (См. Фотоэлектрический генератор).

Основные параметры и характеристики Ф. 1) Интегральная чувствительность (ИЧ) – отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у вакуумных Ф.) или при короткозамкнутых выводах (у полупроводниковых Ф.). Для определения ИЧ используют, как правило, эталонные источники света (например, лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой температуры нити, обычно равным 2840 К). Так, у вакуумных Ф. (с сурьмяно-цезиевым катодом) ИЧ составляет около 150 мка/лм,у селеновых – 600–700 мка/лм, у германиевых – 3․10⁴ мка/лм. 2) Спектральная чувствительность – величина, определяющая диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный Ф. Так, у вакуумных Ф. с сурьмяно-цезиевым катодом этот диапазон составляет 0,2–0,7 мкм, у кремниевых – 0,4–1,1 мкм, у германиевых – 0,5–2,0мкм.3) Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от напряжения на Ф. при постоянном значении светового потока; позволяет определить оптимальный рабочий режим Ф. Например, у вакуумных Ф. рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в которой фототок практически не меняется с ростом напряжения). Значения фототока (вырабатываемого, например, кремниевым Ф., освещаемым лампой накаливания) могут при оптимальной нагрузке достигать (в расчёте на 1 см²освещаемой поверхности) несколько десятков ма (для кремниевых Ф., освещаемых лампой накаливания), а фотоэдс – нескольких сотен мв. 4) Кпд, или коэффициент преобразования солнечного излучения (для полупроводниковых Ф., используемых в качестве преобразователей энергии), – отношение электрической мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке к падающей световой мощности. У лучших образцов Ф. кпд достигает 15–18%.

Ф. используют в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерительной технике, метрологии, при оптических, астрофизических, космических исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т.д.; перспективно использование полупроводниковых Ф. в системах энергоснабжения космических аппаратов, морской и речной навигационной аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.

Лит.: Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи М 1971.

М. М. Колтун.

Схематическое изображение фотоэлемента с внешним (а) и внутренним (б) фотоэффектом; К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; n и p — области полупроводника с донорной и акцепторной примесями; Е — источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; R_н — нагрузка; пунктирной линией обозначен р — n-переход.

1. фо́тоэлеме́нт;
2. фо́тоэлеме́нты;
3. фо́тоэлеме́нта;
4. фо́тоэлеме́нтов;
5. фо́тоэлеме́нту;
6. фо́тоэлеме́нтам;
7. фо́тоэлеме́нт;
8. фо́тоэлеме́нты;
9. фо́тоэлеме́нтом;
10. фо́тоэлеме́нтами;
11. фо́тоэлеме́нте;
12. фо́тоэлеме́нтах.

ФОТОЭЛЕМЕ́НТ, -а, муж. (спец.). Электронный прибор, в к-ром под действием света возникает электродвижущая сила.

| прил. фотоэлементный, -ая, -ое.

-а, м.

Фотоэлектрический прибор, преобразующий световую энергию в электрическую.

м.

Электронный прибор, действие которого основано на непосредственном преобразовании световой энергии в электрическую.

ФОТОЭЛЕМЕНТ - прибор, в котором под действием падающего на него света возникает электродвижущая сила (фотоэдс). Различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используют в автоматической контрольной и измерительной аппаратуре.

муж. photoelectric cell, photo-cell;
electric eyephotocell

m.photocell

фотоэлемент м Photozelle f c

м

Photozelle f

м. эл.

cellule f(или élément m, couplem) photo-électrique

м.

(прибор) fotoelemento m, célula fotoeléctrica, fotocélula f, fototubo m, fotoválvula f

м. эл.

cellula fotoelettrica / fotosensibile, fotocellula

ФОТОЭЛЕМЕНТ

- фотоэлектронный прибор, в к-ром в результате поглощения энергии падающего на него оптич. излучения генерируется эдс (фотоэдс )или электрич. ток (фототок).

Ф., действие к-рого основано на фотоэлектронной эмиссии (внеш. фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами - фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещёнными в вакууми-рованный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фо-токатодом Ф. служит фоточувствит. слой, к-рый наносится либо непосредственно на участок стеклооболочки, либо на металлич. слой (подложку), предварительно осаждённый на стекло, либо на поверхность металлич. пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлич. кольца или сетки (рис. 1). Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорц. световому потоку (рис. 2, а). Для улучшения временного разрешения и увеличения пика импульсов фототока катод и анод Ф. обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3-3 мм, а их выводы выполняют в виде отрезка коаксиальной или полосковой линии, согласованной по волновому сопротивлению с нагрузкой. В газонаполненных Ф. в результате ионизации газа и возникновения несамостоят. лавинного разряда фототок усиливается (напp., коэф. усиления при заполнении Аr составляет 6-8).

Рис. 1. Типичные конструкции вакуумных фотоэлемен тов: А - выводы анода; К - выводы фотокатода; ОК - выводы металлического охранного кольца (устанавли вается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).

Рис. 2. Схема фотоэлемента с внешним ( а )и внутренним ( б )фотоэффектом: К - фотокатод; А - анод; Ф - свето вой поток; р и п - области полупроводника с донорной и акцепторной проводимостями; Е- источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; R _н - нагрузка. Пунктирной линией обозначен р - n -переход.

Наиб. распространение среди Ф. с внеш. фотоэффектом получили вакуумные Ф. (ВФ) с сурьмяно-цезиевым, многощелочным и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами. Применение газонаполненных Ф. ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой характеристики - зависимости фототока от падающего светового потока.

Ф., действие к-рого основано на внутр. фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом ( р - п-перехо-дом), изотипным гетеропереходом или контактом металл- полупроводник (см. Контактные явления в полупроводниках). При поглощении оптич. излучения в таком Ф. (рис. 2, б) увеличивается число свободных носителей заряда внутри полупроводника, к-рые пространственно разделяются электрич. полем перехода (контакта). Избыток носителей заряда, возникающий по обе стороны от потенц. барьера, создаёт в полупроводниковом Ф. (ПФ) разность потенциалов, т. е. фотоэдс. При замыкании внеш. цепи ПФ через нагрузку начинает протекать электрич. ток. В качестве материала для ПФ наиб. часто применяют Se, GaAs, CdS, Ge и Si.

Ф. обычно служат приёмниками оптич. излучения, в т. ч. приёмниками видимого света (ПФ в этом случае нередко отождествляют с фотодиодами); ПФ используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрич. энергию - в солнечных батареях, фото-электрич. генераторах.

Основные параметры и характеристики фотоэлемента. С в е т о в а я (и н т е г р а л ь н а я) ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (S)- отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у ВФ) или при короткозамкнутых выводах (у ПФ). Для определения S используют, как правило, калиброванные источники света (напр., лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой темп-ры нити, обычно равным 2860 К). Так, у ВФ S составляет 30-150 мкА/лм, у селеновых Ф.- 600-700 мкА/лм, у германиевых - 3^.10⁴ мкА/лм. С п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (S_l)- отношение фототока к вызывающему его лучистому потоку с длиной волны l. У ВФ диапазон спектральной чувствительности находится в области спектра 115-1200 нм (в зависимости от чувствительности фотокатода и коэф. спектрального пропускания материала входного окна), у кремниевых Ф. он составляет 400-1100 нм, у германиевых - 500-2000 нм. В о л ь т-а м п е р н а я х а р а к т е р и с т и к а- зависимость фототока от напряжения на Ф. при пост. значении светового потока; позволяет определить оптим. рабочий режим Ф. У ВФ рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в к-рой фототек практически не меняется с ростом напряжения); такой режим обычно устанавливается при напряжениях 50-100 В. У ПФ (напр., кремниевого, освещаемого лампой накаливания) значения фототока могут достигать при оптим. нагрузке (в расчёте на 1 см ² освещаемой поверхности) неск. десятков мА, а фо-тоэдс - неск. сотен мВ. Т е м н о в о й т о к (для ВФ) - ток в отсутствие освещения; определяется термоэмиссией фо-токатода и токами утечки, его величина 10^-8-10^-14 А. Кпд, или к о э ф. п р е о б р а з о в а н и я с о л н е ч н о г о и з л у ч е н и я (для ПФ, используемых в качестве преобразователей энергии),- отношение электрич. мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке, к падающей световой мощности; кпд достигает 15-18%.

Ф. широко применяются в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерит. технике, метрологии, при оптич. астрофиз. исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т. д.; перспективно использование ПФ в системах энергоснабжения космич. аппаратов, в морской и речной навигац. аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.

Лит.: Пасынков В. В., Чиркин Л. К., Шинков А. Д., Полупроводниковые приборы, 4 изд., М., 1987; Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н., Вакуумные фотоэлектронные приборы, 2 изд., М., 1988. В. А. Гаванин, И. П. Воропаев.