Исследование Фотопреобразователей

1. Теоретическая часть.

Фотопреобразователем (фотодатчиком, фотоэлементом) называется электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Фотодатчики могут регистрировать и преобразовывать как видимое излучение, так и невидимое (инфракрасное, ультрафиолетовое).

Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучи­стой энергии оптического диапазона вызывает изменение его элек­трических свойств.

Фотоэлементы разделяются на фотоэлементы с внешним фото­эффектом и с внутренним фотоэффектом.

Внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект заключается в выходе из поверхностного слоя фотокатода электронов во внеш­нее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ. В металлах есть свободные электроны - электронный газ и положительно заряженные ионы. Внутри кристалла силы, действующие на электрон со стороны окружающих его ионов, уравновешены и электрон может свободно перемещаться (рис.1.). У поверхности воздействие на электрон со стороны ионов не скомпенсировано, и электрон втягивается внутрь. Фактически электрон находится в потенциальной яме, чтобы вылететь, необходимо сообщить энергию для преодоления этого взаимодействия. Эта энергия называется работой выхода и зависит от материала фотокатода. _,

Рис.1. силы, действующие на электрон внутри металла и на его поверхности.

- минимальная энергия, которую затрачивает электрон, чтобы выйти из металла

Законы фотоэффекта устанавливают связь между параметрами испускаемых металлов электронов и парамеирами света. Согласно классической теории, свет представляет собой переменное электрическое поле, возбуждающее колебания электрона. Под его воздействием этого поля некоторые электроны будут вылетать из металла. Поскольку амплитуда колебаний вектора напряжённость электрического поля (Е) увеличивается с ростом интенсивности света, можно полагать, что с увеличением интенсивности будет расти максимальная энергия испускаемых электронов. В силу инерции электронов увеличение частоты воздействия (частоты света) должно приводить к получении электронами меньшей энергии, так как электроны на успевают приобрести большую скорость, прежде чем вектор напряженности поменяет знак и электрон начнет двигаться в обратном направлении. Таким образом, классическая физика предсказывала, что энергия электронов увеличивается с увеличением интенсивности света и уменьшается с ростом его частоты.

На практике было обнаружено отсутствие изменений энергии электрона с интенсивностью и увеличение энергии электронов с ростом частоты.

Это противоречие было устранено Эйнштейном, который вслед за Планком рассматривал свет в этом явлении как поток частиц – фотонов или кванты света. С квантовой точки зрения интенсивность света характеризуется количеством фотонов в световом потоке, а энергия одного фотона Е_ф=h, где  - частота света. При взаимодействии электрон металла поглощает один фотон, приобретая энергию h. Часть этой энергии, равная работе выхода, тратится на выход электрона из металла, оставшаяся часть энергии превращается в кинетическую энергию электрона. Закон фотоэффекта имеет вид h=А_вых.+Е_кин.

Количество электронов, испускаемых единицей поверхности металла равно пропорционально количеству падающих на эту поверхность фотонов, т.е. интенсивности света.

Кванты света с энергией меньше чем работа выхода не вызывают фотоэффекта, поэтому существует граничное значение частоты света, при котором фотоэффект прекращается. Это значение называется красной границей фотоэффекта.

Конструкция фотодиода с внешним фотоэффектом включает в себя стеклянный баллон из которой откачан воздух, на внутреннюю стенку баллона с одно стороны нанесен фотокатод. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуум­ного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде неболь­шого кольца или пластинки. С фотокатодом и анодом соединены проволочки, с помощью которых диод соединяется с внешними элементами электрической цепи. Электрическая схема цепи для исследования фотокатода приведена на рис.2.

Рис.2 . Электрическая схема включения фотокатода.

К аноду и катоду подключают источник постоянного напряжения.

Под действием подведенного к электродам элемента напря­жения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на анод. Эти электроны создают в цепи ток. Падение напряжение на нагрузочном сопротивлении R пропорционально току в цепи. Для практического использования фотоэлементов важное зна­чение имеет его вольтамперная характеристика. Она выражает зависимость фототока от величины приложенного напря­жения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего фотокатод.

Одним из основных параметров фотоэлемента является чувствительность, равная отношению величины фототока (в мка или ма), получаемого в цепи, на единицу светового потока (люмен), падающего на фотокатод.