фотоэлемент

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 фотоэлементов: А - выводы анода; К - выводы фотокатода; ОК - выводы металлического охранного кольца (устанавливается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).

Рис. 2. Схема фотоэлемента с внешним (а)и внутренним ( б)фотоэффектом: К - фотокатод; А - анод; Ф - световой 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 см² 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^-14А. 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%.

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.