Глава восемнадцатая. Фотоэлектронные приборы и электронные реле

18-1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление, или э. д. с.) изменяются под действием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы делятся на три класса.

Вакуумные, или электронные фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме.

Газонаполненные или ионные фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа.

Полупроводниковые — в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость элементов или создают э. д. с.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект, называемый иначе фотоэлектронной эмиссией, как указывалось (§ 13-4), заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов — свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах — фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения э. д. с. в -переходе вследствие разделения полем перехода электронно-дырочных пар, возникающих под действием падающего на переход светового потока.

Фотодиоды могут работать или в режиме с источником внешнего напряжения или в режиме без источника питания, сами являясь источниками э. д. с.

Наиболее распространенными электронными фотоэлементами являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Рис. 18-1. Электронный фотоэлемент и его условное обозначение.

Рис. 18-2. Схема включения фотоэлемента.

Электронный кислородно-цезиевый фотоэлемент (рис. 18-1) состоит из стеклянной колбы, в которой создан вакуум. Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения света в колбу, покрывается слоем серебра (подложка), на который наносится полупроводниковый слой окиси цезия — катод фотоэлемента К. У сурьмяно-цезиевых вакуумных фотоэлементов подложка выполняется из сурьмы, на которую наносится полупроводниковый слой.

Анод А в фотоэлементах изготовляется в виде кольца, так как он не должен преграждать путь световому потоку к катоду.

Ионные фотоэлементы изготовляются только кислородно-цезиевыми. Они отличаются от электронных только тем, что колба после откачки воздуха заполняется аргоном при низком давлении.

Соединив фотоэлемент с сопротивлением нагрузки и источником питания (рис. 18-2), получим на фотоэлементе анодное напряжение а между анодом и катодом электрическое поле.

Если через окно фотоэлемента на его катод будет падать световой поток, то эмиттированные электроны под действием сил поля будут перемещаться от катода к аноду. Таким образом, в цепи установится фототок, который будет проходить в течение всего времени освещения катода. Зависимость фототока от светового потока Ф при неизменном напряжении источника э. д. с., т. е.

называется световой характеристикой

Рис. 18-3. Световые характеристики: а — электронного фотоэлемента; б — ионного фотоэлемента.

Для электронного фотоэлемента она линейна (рис. 18-3, а):

Для ионного фотоэлемента она нелинейна (рис. 18-3, б).

В ионном фотоэлементе ионизация электронами атомов газа увеличивает поток электронов, т. е. увеличивает ток фотоэлемента. Отношение тока усиленного за счет ионизации газа к первичному электронному фототоку называется коэффициентом газового усиления

Чем больше газа введено в фотоэлемент, тем больше коэффициент КТ. Обычно он равен 4—6.

Одним из важных параметров фотоэлемента является его интегральная чувствительность, представляющая собой отношение фототока, выраженного в микроамперах к световому потоку белого света, выраженному в люменах (лм), получаемому от стандартного источника света.

Интегральная чувствительность

Для электронных фотоэлементов она составляет 20— 120 мкА/лм, а для ионных 150-250 мкА/лм.

Фотоэлектронная эмиссия, а следовательно, и фототок фотоэлемента зависит от длины волны к светового излучения (§ 13-4), поэтому, кроме интегральной чувствительности, пользуются понятием спектральной чувствительности.

Рис. 18-4. Спектральные характеристики электронных фотоэлементов.

Спектральной чувствительностью называют отношение фототока к световому потоку заданной длины волны т. е.

Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего на фотоэлемент светового потока постоянной величины называется спектральной характеристикой элемента, т. е.

Из рис. 18-4 видно, что у сурьмяно-цезиевого фотоэлемента селективный максимум находится в области голубых и зеленых лучей (А, = 0,4 - 0,5 мкм).

У кислородно-цезиевого элемента имеется два селективных максимума при мкм и при мкм.

Вольт-амперные характеристики (рис. 18-5) электронного фотоэлемента, выражающие зависимость

нелинейны. При увеличении напряжения фототок сначала растет быстро, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается (режим насыщения).

У вольт-амперных характеристик. (рис. 18-6) ионных фотоэлементов при увеличении анодного напряжения после горизонтального участка, кривая поднимается вследствие ионизации.

Рис. 18-5. Вольт-амперные характеристики электронного фотоэлемента.

Рис. 18-6. Вольт-амперные характеристики ионного фотоэлемента.

Одним из свойств фотоэлементов является их утомляемость, т. е. изменение параметров в зависимости от времени эксплуатации.

Вследствие малой величины фототока, который можно получить от фотоэлемента (порядка нескольких микроампер), они обычно применяются совместно с ламповыми или полупроводниковыми усилителями.

Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, телевидения, звукового кино, измерительной техники и т. д.

Простейшие схемы применения фотоэлементов рассмотрены в § 18-4.

Фотоэлектронный умножитель это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, фототок которого усиливается за счет вторичной электронной эмиссии,

В стеклянном баллоне (рис. 18-7), кроме катода К и анода А, расположен ряд вторичных катодов—эмиттеров и т. д., поверхность которых покрыта эмиссионным составом. Каждый следующий друг за другом катод имеет потенциал примерно на 100 В выше предыдущего. Каждый вторичный катод — эмиттер излучает вторичных электронов больше первичных электронов, его бомбардирующих.

Рис. 18-7. Схема фотоэлектронного умножителя и его обозначение.

Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии имеющим значение 3—4. Таким образом, выходной ток фотоэлектронного умножителя с вторичными катодами будет но максимальный выходной ток фотоэлектронного умножителя не превышает десятков миллиампер.

Чувствительность фотоэлектронного умножителя достигает Фотоэлектронные умножители применяются для измерения малых световых потоков примерно до

Отечественная промышленность выпускает фотоэлектронные умножители с различным числом ступеней (ФЭУ-1 - ФЭУ-19).