Материаловедение

Фотоэлектрические материалы

Фотоэлектрическими материалами называются материалы, в которых наблюдается фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Различают фотоэффект внешний и внутренний. На использовании фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов (фотоэлементов), имеющих разнообразное практическое применение.

Материалы с внешним фотоэффектом

Внешний фотоэффект (фотоэффект, фотоэлектронная эмиссия) – это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света). Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Данное явление наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Фотоэффект обнаружен в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены в 1888-1890 годах русским ученым А.Г. Столетовым, который установил, что в возникновении фототока в электрической цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода (катода) и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана А. Эйнштейном в 1905 г.

Схема установки для исследования фотоэффекта показана на рис. 1. Она представляет собой вакуумный электронный прибор, важнейшей частью которого является фотокатод, т.е. катод, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитного излучения и эмитирующий электроны в результате этого воздействия. Катод освещается светом. Под действием света из катода вырываются фотоэлектроны, которые летят к аноду и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром. С помощью такой установки, используя электроды, изготовленные из разных материалов, можно снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ), т.е. зависимости силы фототока от напряжения между электродами.

На основе анализа ВАХ разнообразных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта:

  1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсив-ности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода);
  2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой;
  3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

 Схема установки для исследования фотоэффекта

Рис. 1. Схема установки для исследования фотоэффекта

А. Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент, представляющий собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центральной части баллона. Фотоэлемент включается в цепь электрической батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света – сурьмяноцезиевый.

Поскольку вакуумные фотоэлементы безынерционны, то для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Это свойство обеспечивает возможности широко их использовать для создания фотометрических приборов. К таким приборам относятся: экспонометры, позволяющие выбирать и устанавливать необходимую экспозицию в зависимости от освещенности объекта съемки и светочувствительности фотоматериала (применяются в фотографии); люксметры, служащие для измерения освещенности, создаваемой различными источниками света (применяются для аттестации рабочих мест); спектрометры, служащие для исследования спектров электромагнитного излучения (применяются для неразрушающего контроля состава веществ); пирометры, позволяющие осуществлять бесконтактное измерение температуры тел (применяются для дистанционного определения температуры различных объектов в сталелитейной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства, в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве для определения тепловых потерь в зданиях и на теплотрассах, в энергетике для быстрого и точного контроля температуры на участках, не доступных или мало доступных для других способов измерения).

На рис. 2 показана схема фотоэлектрического пирометра. Фотоэлемент поочерёдно освещается то источником излучения, то эталонной лампой. При неравенстве создаваемых ими освещённостей в электрической цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототока, амплитуда которой пропорциональна разности освещённостей. При измерениях ток накала лампы регулируют так, чтобы переменная составляющая фототока стала равна нулю.

Схема фотоэлектрического пирометра

Рис. 2. Схема фотоэлектрического пирометра: 1 – источник излучения; 2, 6 – линзы; 3 – модулятор, попеременно пропускающий излучение источника и эталонной лампы 4 к фотоэлементу 7; 5 – фильтр с узкой частотной полосой пропускания

Материалы с внутренним фотоэффектом

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением (светом) переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу, в результате чего концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению проводимости полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению ЭДС.

Электрон при поглощении фотона переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба этих носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток. При возбуждении фотопроводимости в собственном (беспримесном) полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из уровня, расположенного в запрещённой зоне, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Данное обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), характеризуются гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют различные полупроводники, выбор которых позволяет получать избирательную фоточувствительность. Так, фоторезисторы на основе CdS и CdSe чувствительны к видимому и ультрафиолетовому излучению, а фоторезисторы на основе InSb и CdHgTe – к длинноволновому инфракрасному излучению. Фоторезисторы обладают стабильностью фотоэлектрических характеристик во времени, довольно малой инерционностью, а также простотой устройства, допускающей различные конструктивно-технологические решения.

Так как фоторезисторы предназначены для регистрации слабых световых потоков, то обычно величина полезного сигнала сравнима с шумовым током. Поэтому для фоторезисторов с целью уменьшения шумов используют специальные конструкции, позволяющие охлаждать фоторезистор (рис. 3).

Конструкция фоторезистора с термоэлектрическим охлаждением

Рис. 3. Конструкция фоторезистора с термоэлектрическим охлаждением: 1 – входное окно; 2 – фоточувствительный элемент; 3 – контактная колодка; 4 – предусилитель; 5 – теплоотвод; 6 – электрические выводы; 7 – основание; 8 – терморезистор; 9 – термоэлектрический охладитель

Фотодатчики применяются для измерения мощности импульсных ультрафиолетовых лазеров и распределения энергии по сечению пучка лазера. Их используют в приборах ночного видения, в устройствах для ксерографии, при которой электрические заряды стекают с засвеченных мест предварительно наэлектризованной поверхности полупроводникового барабана. С их помощью можно измерять перемещение и подсчитывать число предметов, определять прозрачность и цвет различных материалов, оценивать качество обработанной поверхности (блеск, шероховатость, окраска), анализировать электрические свойства полупроводниковых структур.

На рис. 4 в качестве примера показано применение фотодатчика в устройстве автоматического затемнения зеркала заднего вида автомобиля. Как показывает практика вождения, при ослеплении ярким светом через зеркало заднего вида наблюдается кратковременная потеря зрения и увеличивается время реакции водителя. Поэтому находят все более широкое распространение специальные темнеющие зеркала заднего вида, не допускающие ослепление водителей светом фар сзади движущегося транспортного средства.

Ранние варианты зеркал, изменяющих обратный световой поток, были устроены аналогично жидкокристаллическим дисплеям: между двумя стеклянными пластинами находился тонкий слой жидкости, которая изменяла коэффициент поглощения света под воздействием приложенного электрического напряжения. Недостатком таких зеркал являлось уменьшение быстродействия при низких температурах. Для устранения этого нежелательного явления был необходим подогрев зеркал, что усложняло конструкцию.

Автоматически темнеющее зеркало заднего вида

Рис. 4. Автоматически темнеющее зеркало заднего вида: 1 – фотодатчик, направленный назад; 2 – электронная плата; 3 – ветровое стекло; 4 – фотодатчик, направленный вперед

В более современных вариантах зеркал используется эффект обратимого изменения светопропускания. Его обеспечивают электрохромные пленки окислов ряда металлов, в частности, оксида вольфрама, которые наносятся непосредственно на стекло. Зеркало получается однослойным, не боится холода и к тому же потребляет ток лишь в моменты переключения. Такие зеркала сегодня применяются на автомобилях многих марок.

В последние годы начали производить автоматически темнеющие зеркала. Прозрачность стекла в них регулируется контроллером, сравнивающим сигналы от двух фотодатчиков. Первый датчик, направленный вперед, измеряет общую освещенность, второй, обращенный назад, ловит лучи фар автомобилей, едущих сзади. При слишком большой разнице между показаниями датчиков (спереди темно, сзади ярко), свидетельствующей об опасности ослепления, выдается команда затемнить стекла зеркал.

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект лежит в основе действия фотодиодов.

В фотодиодах используется односторонняя проводимость p-nперехода. Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный.

В фотогальваническом режиме фотодиоду не требуется источник питания, так как при освещении p-n-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. Таким образом, фотодиоды, работая в этом режиме, непосредственно преобразуют энергию света в электрическую энергию.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, применяются для создания солнечных батарей – систем преобразователей энергии солнечного света в электрический ток (рис. 5). Такие батареи уже в течение многих лет работают на космических спутниках и кораблях, где они являются одним из основных источников получения электрической энергии, поскольку могут работать долгое время без расхода каких-либо материалов и в то же время являются экологически безопасными (в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии). В последние годы солнечные батареи все шире используются в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд. Они служат для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электронной техники (калькуляторов, плееров, фонариков и т.п.), для подзарядки электромобилей. Их устанавливают на крышах зданий, а также на открытых территориях довольно значительной площади (прежде всего, в регионах с большим количеством солнечных дней в году).

Солнечные батареи

Рис. 5. Солнечные батареи: слева направо – на крыше дома, на крыше автомобиля, на борту космической станции

В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводит ток (находится в запертом состоянии). При освещении фотодиода (области p-n-перехода) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Фотодиоды, работающие в фотодиодном режиме, применяются в схемах фотореле (такое же применение находят фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора).

Фотореле в общем случае состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включается в цепь обмотки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При воздействии светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами определенных положений. Они широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производственных травм (например, когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается). Линейку фотодиодов используют для измерения размеров детали, перемещаемой на конвейере: деталь перекрывает световой поток и затемняет такое количество фотодиодов, которое соответствует высоте детали. Измерять длину перемещаемой детали можно и по сигналу одного фотодатчика. В этом случае деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импульсов завершается. По количеству импульсов, зафиксированному счетчиком, определяется длина движущегося предмета. Датчик импульсов с помощью кинематической схемы связан с приводом конвейера, поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность измерения ее длины.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *