Фотоэлемент

Фотоэлеме́нт

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 – 0,5–2,0 мкм. 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 см² освещаемой 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.