Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта͵ называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство (рис. 1 а). Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем К с небольшим прозрачным для света участком для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А. От электродов К к А сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, ᴛ.ᴇ. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).
Свет, падающий на катод, вырывает из его поверхности электроны, что приводит к увеличению тока, протекающего в цепи и напряжения на резисторе R. Изменение тока, текущего через фотоэлемент при его освещении можно использовать для включения и выключения различных устройств.
Рисунок 1.
Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. По этой причине в качестве источников электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
В качестве примера рассмотрим принцип действия фотоэлектрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 2 а). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод (транзистор) Т, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока E1, а на транзистор — от источника тока Е2. Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.
Рис. 2.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор Я, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.
В случае если же поток света͵ падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер — база открывается для базовых носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями бывают остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах. Фотоэлементы применяются в военном делее в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами (инфракрасными).
С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а также передача движущихся изображений (телевидение).
Комбинация явлений фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) (рис. 2 б), представляющих собой вакуумную трубку с фотокатодом К и анодом А, между которыми расположено несколько электродов-эмиттеров. Электроны, вырванные с фотокатода под действием света͵ попадают на эмиттер Э1, пройдя ускоряющую разность потенциалов между К к Э1. Из эмиттера Э1выбиваются электроны. Усиленный электронный поток направляется на эмиттер Э2 и процесс умножения повторяется на всех последующих эмиттерах. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, ᴛ.ᴇ. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.
Поглощение электромагнитного излучения в полупроводниках приводит к росту их электрической проводимости. Это явление, называемое внутренним фотоэффектом, используется при изготовлении фоторезисторов, сопротивление которых может уменьшаться в сотни и тысячи раз при их освещении.
На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений. Простейшее фотосопротивление — это пластинка из диэлектрика, покрытая тонким слоем полупроводника, на поверхности которого укреплены токопроводящие электроды. При освещении пластинки возникает фотопроводимость, и в цепи, где включены фотосопротивления, идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телœевидении, автоматике и телœемеханике. Фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль за задымленностью различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене - вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.
Фотоэлементы применяются для сортировки массовых изделий по размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. Учитывая зависимость отсилы фототока автоматически производится сортировка изделий.
Рисунок 3.
На рисунке 3 изображена схема устройства фотоэлемента с запирающим слоем батарей, которые устанавливаются на космических кораблях (вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другом пластинки, изготовленные из металла и его оксида (полупроводника), покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его оксидом имеет одностороннюю электропроводность — электроны могут проходить лишь в направлении от оксида металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего источника напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, ᴛ.ᴇ. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей.
Солнечная батарея (или батарея солнечных элементов) является полупроводниковым источником тока, непосредственно преобразующим энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечных элементов основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта в области p-n перехода двух полупроводников (рис. 1 б). Под действием света по обе стороны от p-n перехода растёт концентрация электронов и дырок. При этом электрическое поле в области p-n перехода перемещает электроны из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа, а дырки – в противоположном направлении. В результате, увеличивается разность потенциалов между этими полупроводниками, причём полупроводник p -типа становится ещё более электроположительным, и в цепи появляется ток. ЭДС, возникающую в области p-n перехода под действием света͵ называют фото ЭДС.
Чаще всего материалом для солнечных элементов служит Si или GaAs. Солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из солнечных элементов, защищённых прозрачными покрытиями. КПД солнечных элементов может достигать 20%. Как известно, плотность потока солнечного излучения в безоблачный день вблизи экватора составляет около 1000 Вт/м2. По этой причине мощность тока, которую можно получить с помощью солнечной батареи, площадь панелей которой равна 1 м2, не превышает 200 Вт. Чтобы солнечная батарея имела мощность, достаточную для снабжения электроэнергией семьи из нескольких человек, площадь её панелей должна составлять 10-20 м2. Солнечные батареи находят своё применение не только на Земле, но и в космосе, где служат основным источником энергии для аппаратуры и системы жизнеобеспечения спутников и межпланетных кораблей.