Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

В н е ш н и м ф о т о э ф ф е к т о м (фотоэмиссией) называют вырывание электронов из поверхности металла, вызванное падением света на эту поверхность.

В н у т р е н н и й ф о т о э ф ф е к т состоит в изменении элек­ тропроводности полупроводника под действием падающего на него света.

В е н т и л ь н ы й ф о т о э ф ф е к т состоит в том, что световая энергия, падающая на р-п-переход, приводит к возникновению фото­ электродвижущей силы на этом переходе.

Внешний фотоэффект впервые был исследован А. Г. Столетовым, который установил, что число электронов, вырываемых светом в еди­ ницу времени из поверхности фотокатода, прямо пропорционально ин­ тенсивности световой энергии. Другими словами, равные приращения интенсивности света, падающего на фотокатод, приводят к соответст­ венно равным приращениям фототока.

Прямая пропорциональность между интенсивностью света и фото­ током позволила осуществить ряд крупных изобретений, таких, как звуковое кино, телевидение и др.

Другой закон фотоэффекта, установленный А. Эйнштейном, указы­ вает на зависимость фототока от длины волны света и от спектральной характеристики фотоэлемента. Этот закон показывает, что существует минимальное значение частоты света, при которой будет отсутство­ вать эмиссия даже в случаях, когда на фотокатод направлен очень мощ­ ный световой поток.

Спектральные характеристики серебряно-кислородно-цезиевых фотоэлементов имеют пониженную чувствительность в области желтозеленых лучей. Фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом плохо реа­ гирует на оранжевые лучи и совершенно нечувствителен к красным и т. п.

Эту предельную частоту света называют порогом фотоэффекта, а длину волны света, соответствующую порогу фотоэффекта, — к р а с ­ н о й г р а н и ц е й .

На принципе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газо­ наполненные фотоэлементы.

§ 11.10. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Принцип действия вакуумных и газонаполненных фотоэлементов одинаков, но характеристики их различны.

Электроды этих фотоэлементов — анод и катод заключены в сте­ клянный баллон с тщательно откаченным воздухом у вакуумных эле­ ментов или заполненный разреженным инертным газом (аргоном) у газонаполненных фотоэлементов. Активным слоем фотокатода служат щелочно-земельные металлы, дающие достаточный фотоэффект. Актив­ ный слой, например сурьямно-цезиевый, наносится на серебряную подложку, осажденную непосредственно на стекло баллона с внут­ ренней его стороны, или же для увеличения сопротивления изоляции на металлическую пластинку, помещенную в середину баллона. Если катод (его активный слой) нанесен непосредственно на стекло, то на

нем оставляется прозрачное оконце (рис. 11.12), для того чтобы свето­ вой поток достигал активной поверхности фотокатода. Анод часто вы­ полняют в виде проволочного кольца, помещенного в колбе перед ка­

тодом.

Для получения фототока в схемах с фотоэлементами, основанными на внешнем фотоэффекте, необходимо напряжение, приложенное меж­ ду анодом и катодом, — анодное напряжение (рис. 11.13). Так же как во всех электронных приборах, потенциальный барьер, возникающий на границе металлов и вакуума, препятствует выходу электронов из фо­

токатода. Но при воздействии лучи­ стой энергии светового потока элек­ трон, поглощая один фотон, приоб­ ретает энергию большую, чемрабо-

та выхода щелочноземельного слоя фотокатода. Вследствие этого элек­ трон выбрасывается в вакуум. Чтобы создать протекание тока через фо­ тоэлемент, необходимо воздействовать на освобождаемые светом элек­ троны посредством электрического поля. Для этой цели, так же как в ламповом диоде, необходим источник постоянного анодного напря­ жения.

В газонаполненных фотоэлементах наличие газа повышает их чув­ ствительность в 4—5 раз. Повышение чувствительности объясняется ионизацией газа электронами. Газонаполненные фотоэлементы обла­ дают заметной инерцией, в то время как вакуумные фотоэлементы безынерционны.

§ 11.11. Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы действуют на основе возникно­ вения э. д. с. между двумя разнородными полупроводниками или меж­ ду полупроводником и металлом, разделенным электрическим пере­ ходом, под действием электромагнитного излучения. К числу полупро­ водниковых фотоэлементов относятся фотодиоды и фототранзисторы. Ф о т о д и о д о м называют полупроводниковый элемент, имеющий два вывода. Его структура аналогична р-п-структуре полупроводни­ кового диода (рис. 11.14). На общей границе полупроводников фото­ диода образуется двойной электрический слой с контактной разностью

196

потенциалов. При освещении поверхности полупроводников вблизи р-п-перехода происходит ионизация атомов кристалла за счет энер­ гии, вносимой квантами света, проникающими в толщу слоев кристал­ ла. В результате этого создаются свободные носители зарядов — дырки и электроны проводимости. Под действием контактной разности потен­ циалов дырки перемещаются в р-слой, а электроны уходят в п-слой (рис. 11.14, в). Происходит постепенное накопление носителей с поло­ жительным зарядом в проводнике типа р и с отрицательным зарядом— в полупроводнике типа п. Между электродами, присоединенными к р- и н-слоям, появляется разность потенциалов, представляющая собой э. д. с. Еф, возникающую в фотодиоде. Эта э. д. с. может быть исполь­ зована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь. При этом фотодиод используется в режиме фотоге-

Рис. 11.14. Фотодиод:

нератора, так как отдает электрическую энергию, получаемую при не посредственном преобразовании из световой, и работает без посто­ ронних источников напряжения (рис. 11.14, а).

Фотодиод может работать с включением внешнего источника элек­ трической энергии, положительный полюс которого подключается к п-слою, а отрицательный— к p-слою (рис. 11.14, б). Под действием напряжения источника, включенного в непроводящем направлении фо­ тодиода, при отсутствии освещения через фотодиод будет протекать очень небольшой т е м н о в о й т о к , соответствующий обратному току вентиля. При освещении фотодиода поток неосновных носителей через р-н-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае величиной напряжения внешнего источ­ ника и величиной светового потока. Фотодиод работает в режиме фотопреобразователя.

Фотодиоды изготовляются из селена, германия, кремния, сернис­ того таллия и сернистого серебра.

Селеновые фотодиоды, несмотря на их малую чувствительность, применяются в качестве фотогенераторов в фотометрии и в частности в фотоэкспонометрах. Германиевые фотодиоды, имеющие максимальную чувствительность в инфракрасной области, применяются в качестве индикаторов длинноволнового излучения. Кремниевые фотодиоды имеют максимальную чувствительность при волнах малой длины и при­ меняются в качестве фотогенераторов в составе солнечных батарей.

197

Ф о т о т р а н з и с т о р о м называют фотоэлемент с двумя или большим числом электрических переходов. Фототранзисторы позволя­ ют одновременно с преобразованием световой энергии в электрическую осуществлять также и усиление фототока. У фототранзистора типа п-р-п (рис. 11.15) один из «-слоев имеет меньшую площадь, чем два дру­ гих слоя, что позволяет свету проникать к р-н-переходу, созданному между p-слоем и другим «-слоем. Толщина р-слоя делается весьма ма­ лой — такой, при которой световые потери незначительны.

В случае присоединения источника электрической энергии поло­ жительным полюсом к «-слою большой площади (рис. 11.15, а) меж­ ду этим слоем и p-слоем образуется коллекторный р-н-переход. В область, прилегающую к этому переходу, проникает световой поток. Световые кванты возбуждают световой ток, протекающий от «-слоя

ных носителей в переходе. Если бы эмиттерный переход, к которому подключен отрицательный полюс источника энергии, не влиял на ток в приборе, то через коллекторный переход протекал бы ток / ф, рав­ ный сумме светового и темнового токов, так же, как в фотодиоде, рабо­ тающем в режиме фотопреобразователя. Однако действие эмиттерного перехода, вводящего в базу (р-слой) электроны, приводит к усилению коллекторного тока. Если световой поток направить в области, приле­ гающие к эмиттерному переходу (рис. 11.15, б), то, как и в первом слу­ чае, через этот переход потечет световой ток из «-слоя к p-слою. Но на­ встречу световому току через эмиттерный переход потечет прямой ток, протекающий под действием внешнего источника энергии от р-слоя к «-слою. В результате ток через эмиттерный переход, равный разности этих токов, будет очень мал. Первая схема применяется в случаях, ког­ да необходимо получить возможно больший ток при освещенном фото­ триоде. Вторая схема используется, когда важно обеспечить наимень­ шую величину темнового тока. Двухполюсные схемы включения фото­ транзистора относятся к прибору с двумя выводами. Фототранзистор такого типа отличается от фотодиода большей чувствительностью. При­ веденные выше схемы фототранзисторов применяют при сравнительно большой интенсивности световых сигналов. Для усиления слабых световых сигналов в дополнение к ним подаются электрические сиг­ налы.

198

ЭЛЕКТРОН НЫ Е ГЕНЕРАТОРЫ

§ 11.12. Общие сведения. Назначение электронных генераторов

напряжений применяют преимущественно ламповые генераторы, а для низких напряжений — ламповые и транзисторные генераторы. Элек­ тронные генераторы являются устройствами, преобразующими постоян­ ный ток в переменный ток определенной частоты. Если к сетке и катоду лампы подведено извне переменное синусоидальное напряжение с час­ тотой /, равной /о собственных колебаний контура, то анодный ток бу­

С

дет пульсировать с той же частотой, т. е. в такт с колебаниями в конту­ ре, и обеспечит периодическое пополнение контура энергией за счет источника постоянного тока.

V , магнитно связанная с катушкой L колебательного контура. Про­ ходящий по катушке L переменный ток индуктирует в ней э. д. с. вза­ имоиндукции. Сетка лампы получает, таким образом, переменное на­ пряжение такой же частоты/о, как и частота колебания в контуре LC. Переменное напряжение на сетке вызывает пульсации анодного тОйа с частотой /0. Поэтому в контур периодически поступает энергия, не­ обходимая для поддержания незатухающих колебаний. Магнитная связь контура LC с сеткой лампы является обратной связью.

В зависимости от характера цепи, в которой создаются колебания, генераторы подразделяются на генераторы с колебательным конту­ ром — LC и релаксационные генераторы RC.

Электронные генераторы имеют неоспоримые преимущества перед машинными преобразователями вследствие сравнительной простоты устройства, исключительно широкого диапазона частот колебаний от нескольких периодов в секунду до многих миллионов герц. Они являют­ ся основным оборудованием радиотехнических устройств и широко используются также в промышленных установках для нагрева метал­ лических изделий и неметаллических материалов токами высокой час­ тоты.

199