Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы

Устройство внутри которого помещается фотокатод, расположенный на внутренней поверхности стеклянного баллона и занимающий до 50% всей поверхности (рис.2.2) .Вторая половина баллона прозрачная, через это окно попадает на катод световой поток. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод.

Рис. 2.2 а)Конструкция фотоэлемента, условное обозначение в схемах:

Б) вакуумного фотоэлемента; в) газонаполненного фотоэлемента.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные.

В вакуумных из баллона выкачен газ до высокой степени разряжения ( ), а в газонаполненных баллон заполняется инертным газом (аргоном) под давлением (1–10Па). Условное обозначение вакуумного, газонаполненного фотоэлемента (рис.2.2.б, в)

Характеристики фотоэлемента

1. Световая (Iф=f(Ф), при Ua=const) характеристика – зависимость фототока от величины светового потока при неизменной величине анодного напряжения.

Рис. 2.3 Световые характеристики фотоэлементов:

1) – вакуумных, 2) – газонаполненных

2. Вольтамперная (Iф=f(Ua),при Ф=const) характеристика – зависимость фототока от величины приложенного напряжения Ua, при постоянном световом потоке.

Рис. 2.4 Вольтамперные характеристики фотоэлементов

1) – вакуумных, 2) – газонаполненных.

3. Спектральная характеристика - зависимость чувствительности фотоэлемента к световым потокам разной длины волны.

Рис. 2.5 Спектральная характеристика:

1)– сурьмяноцезиевого, 2) – кислородно-цезиевого.

Применение.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом используются в фоторелейном и фотометрическом режимах.

Фоторелейный режим работы устройства:

- эти устройства имеют два устойчивых положения – включено и выключено. Одно – при отсутствии света, другое - при его появлении.

Фотометрический режим работы устройства:

- эти устройства реагируют на изменение или интенсивность светового потока.

18.Устройство и виды электронных фотоумножителей.

Фотоэлектронные умножители.

Недостатком фотоэлементов с внешним фотоэффектом является их невысокая чувствительность. Это вызывает необходимость последующего усиления сигнала.

Повышение чувствительности можно получить за счет вторичной эмиссии.

Такие приборы получили название фотоэлектронных умножителей.

ФЭУ бывают однокаскадные и многокаскадные.

Однокаскадные ФЭУ имеют: фотокатод, анод и вторичный катод – динод.

В многокаскадных ФЭУ используется несколько динодов (n=10…15)

Устройство.

Стеклянный баллон с высоким вакуумом. На верхнюю торцевую поверхность баллона наносится полупрозрачный катод. Попадающий на него световой поток вызывает фотоэлектронную эмиссию. Электроны с катода попадают под ускоряющее электрическое поле между динодом Д1 и фотокатодам, бомбардируя динод Д1, выбивают из него вторичные электроны, которые двигаясь к диноду Д2, имеющего более высокий потенциал, бомбардируют его и т. д. (рис. 2.6.а)

Обычно число вторичных элементов в 4-5 раз больше числа первичных электронов. Значит, каждый динод усиливает электронный поток в указанное число раз.

Мощный электронный поток, попадающий, на последний электрод анод определяет выходной ток через нагрузку (Rн).

Чувствительность ФЭУ достигает сотен ампер на люмен (А/лм)

Коэффициент усиления фототока , где

n – число динодов

G- коэффициент вторичной эмиссии ( )

Кi достигает в современных ФЭУ

Недостатком ФЭУ является: необходимость в высоковольтных источниках (несколько сотен В), изменение чувствительности во времени, неспособность переносить световые перегрузки.

19.Устройство и схема включения фоторезистора.

Фоторезисторы.

Фоторезистор – полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости (сопротивление) полупроводника при его освещении.

Впервые это явление было обнаруженного у селена в 1873 году Ч. Смитом.

Рис. 2.7 Схема включения фоторезистора.

При отсутствии освящения (Ф=0) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением (Rтемн), обусловленном собственной проводимостью полупроводника и темновый ток мал.

При освещении фоторезистора в нём возникают дополнительные свободные электрические заряды – электроны и дырки. Сопротивление (Rсв) уменьшается и световой ток увеличится .

Разность между световым и темновым токами называется фототоком.

Фототок Iф=Iсв-Iтемн.

Материалом для изготовления светочувствительного слоя фоторезистора служит сернистый свинец, сульфит кадмия, селенид кадмия. Этот материал наносится на диэлектрическую подложку (основание) и для механической прочности покрывается слоем прозрачного лака.

Подложка с фоточувствительным слоем помещается в металлический или пластмассовый корпус.

20.Характеристики фоторезисторов.

Характеристики фоторезисторов.

Рис. 2.8 Характеристики фоторезисторов:

а) – вольтамперная, б) – световая, в) – спектральная

Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от прилаженного напряжения при постоянной освещенности Iф=f(U) при Е=const.

Световая (люкс - амперная) характеристика – зависимость фототока от освещенности полупроводникового слоя при постоянном приложенном напряжении

Iф=f (Е) при U =const

Эта характеристика нелинейная, небольшая чувствительность получается при малых освещениях.

Это позволяет использовать фоторезисторы при измерении очень малых интенсивностях светового потока.

Спектральная характеристика – характеризует чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны.

Определяется она материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента.

Сернисто-кадмиевые резисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, сернисто-свинцовые – в инфракрасный.

Применение:

Высокая чувствительность, простота конструкции, малые габариты и значительно большая по сравнению с вакуумными фотоэлементами допустимая мощность рассеивания позволяет использовать их во многих отраслях науки и техники, в фоторелейном и фотометрическом режимах.

21.Устройство и схема включения фотодиода.

Фотодиоды.

Фотодиод – полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности рn– перехода.

Устройство фотодиода.

Устройство аналогично устройству обычного плоскостного полупроводникового диода и выполнено так, что рn – переход с одной стороны обращен к стеклянному окну, через которое поступает световой поток, а с другой защищен от воздействия света.

Рис. 2.9 Схема включения фотодиода.

Напряжение источника питания приложено к диоду в обратном направлении.

Когда фотодиод не освящен, через него протекает небольшой обратный (темновой) ток (10 – 20 мкА) для германиевых и (1-2мкА) - для кремниевых диодов

При освещении появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей: электронов из р – области в n область и дырок в обратном направлении. Это увеличивает ток в цепи.

Фотодиод можно включать в схему с внешними источником – фотодиод, а без внешнего источника – вентильный фотоэлемент (фотогенератор).

В вентильном режиме в фотодиоде под действием светового потока возникает э.д.с.

22.Характеристики фотодиода

Характеристики фотодиода.

Рис. 2.10 Характеристики фотодиода:

а) – вольтамперная, б) – световая, в) – спектральная

(1 – германиевый, 2 – кремниевые фотодиоды)

Характеристики фотодиода аналогичны характеристикам фоторезистора.

Вольтамперная характеристика Iд =f(Uд), при Ф=const

При полном затемнении (световой поток Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток Iт равный сумме обратного тока насыщения и тока утечки.

С ростом светового потока ток Iд увеличивается. Ток фотодиода практически не зависит от величины приложенного напряжения.

Световая характеристика Iд =f(Ф), при Uд=const

В широком диапазоне изменения светового потока световая характеристика фотодиода остается линейной.

Спектральная характеристика Iф/Iфmax=f ( )

Показывает зависимость спектральной чувствительности от длины волны.

23.Устройство и схема включения фототранзистора.