Большая Советская Энциклопедия (ФО)

Фотоэлемент

Фотоэлеме'нт, электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (фотоэдс ) или электрический ток (фототок). Действие Ф. основывается на фотоэлектронной эмиссии или фотоэффекте внутреннем .

Ф., действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии, представляет собой (рис., а ) электровакуумный прибор с 2 электродами – фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную или кварцевую колбу. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку. В газонаполненных Ф. в результате ионизации газа и возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены Ф. с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.

Ф., действие которого основано на внутреннем фотоэффекте, – полупроводниковый прибор с гомогенным электронно-дырочным переходом (р–n– переходом) (рис. , б), полупроводниковым гетеропереходом или контактом металл-полупроводник (см. Шотки диод ). Поглощение оптического излучения в таких Ф. приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника . Под действием электрического поля перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (например, в Ф. с р–n– переходом электроны накапливаются в n– oбласти, а дырки – в р– области), в результате между слоями возникает фотоэдс; при замыкании внешней цепи Ф. через нагрузку начинает протекать электрический ток. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые Ф., служат Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.

Ф. обычно служат приёмниками излучения или приёмниками света (полупроводниковые Ф. в этом случае нередко отождествляют с фотодиодами ); полупроводниковые Ф. используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях , фотоэлектрических генераторах .

Основные параметры и характеристики Ф. 1) Интегральная чувствительность (ИЧ) – отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у вакуумных Ф.) или при короткозамкнутых выводах (у полупроводниковых Ф.). Для определения ИЧ используют, как правило, эталонные источники света (например, лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой температуры нити, обычно равным 2840 К). Так, у вакуумных Ф. (с сурьмяно-цезиевым катодом) ИЧ составляет около 150 мка/лм, у селеновых – 600–700 мка/лм, у германиевых – 3x10⁴мка/лм. 2) Спектральная чувствительность – величина, определяющая диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный Ф. Так, у вакуумных Ф. с сурьмяно-цезиевым катодом этот диапазон составляет 0,2–0,7 мкм, у кремниевых – 0,4–1,1 мкм, у германиевых – 0,5–2,0 мкм. 3) Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от напряжения на Ф. при постоянном значении светового потока; позволяет определить оптимальный рабочий режим Ф. Например, у вакуумных Ф. рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в которой фототок практически не меняется с ростом напряжения). Значения фототока (вырабатываемого, например, кремниевым Ф., освещаемым лампой накаливания) могут при оптимальной нагрузке достигать (в расчёте на 1 см² освещаемой поверхности) несколько десятков ма (для кремниевых Ф., освещаемых лампой накаливания), а фотоэдс – нескольких сотен мв. 4) Кпд, или коэффициент преобразования солнечного излучения (для полупроводниковых Ф., используемых в качестве преобразователей энергии), – отношение электрической мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке к падающей световой мощности. У лучших образцов Ф. кпд достигает 15–18%.

Ф. используют в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерительной технике, метрологии, при оптических, астрофизических, космических исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т.д.; перспективно использование полупроводниковых Ф. в системах энергоснабжения космических аппаратов, морской и речной навигационной аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.

Лит.: Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи М 1971.

М. М. Колтун.

Схематическое изображение фотоэлемента с внешним (а) и внутренним (б) фотоэффектом; К — фотокатод; А — анод; Ф — световой поток; n и p — области полупроводника с донорной и акцепторной примесями; 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.

Фотоэффект

Фотоэффе'кт, испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (фотонов ). Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем . Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым (1888). Он установил, что в возникновении фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Ф. Ленард (1899) доказал, что при освещении металлов из них испускаются электроны. Первое теоретическое объяснение законов Ф. дал А. Эйнштейн (1905). В дальнейшем теория Ф. была развита в наиболее последовательном виде И. Е. Таммом и С. П. Шубиным (1931). Большой вклад в экспериментальное исследование Ф. внесли работы А. Ф. Иоффе (1907), П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева (1928).

Ф. – квантовое явление, его открытие и исследование сыграли важную роль в экспериментальном обосновании квантовой теории: только на её основе оказалось возможным объяснение закономерностей Ф. Свободный электрон не может поглотить фотон, т.к. при этом не могут быть одновременно соблюдены законы сохранения энергии и импульса. Ф. из атома, молекулы или конденсированной среды возможен из-за связи электрона с окружением. Эта связь характеризуется в атоме энергией ионизации , в конденсированной среде – работой выхода . Закон сохранения энергии при Ф. выражается соотношением Эйнштейна:

, где E – кинетическая энергия фотоэлектрона,

– энергия фотона,

 – Планка постоянная, E_i – энергия ионизации атома или работа выхода электрона из тела. При

 < E_i , Ф. невозможен.

Ф. может наблюдаться в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Первичным актом здесь является поглощение фотона атомом и ионизация с испусканием электрона. С высокой степенью точности можно считать, что вся энергия фотона за вычетом энергии ионизации передаётся испускаемому электрону. В конденсированных средах механизм поглощения фотонов зависит от их энергии. При

, равных или не очень сильно (в десятки и сотни раз) превышающих работу выхода, излучение поглощается электронами проводимости (в металлах ) или валентными электронами (в полупроводниках и диэлектриках ), коллективизированными в твёрдом теле. В результате может наблюдаться фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект) с граничной энергией фотонов, равной работе выхода, или фотоэффект внутренний (фотопроводимость и др. фотоэлектрические явления) с граничной энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны.

При энергиях фотонов

, во много раз превышающих энергию межатомных связей в конденсированной среде (гамма-излучение ), фотоэлектроны могут вырываться из «глубоких» оболочек атома. Влияние среды на первичный акт Ф. в этом случае пренебрежимо мало по сравнению с энергией связи электрона в атоме и Ф. происходит так же, как на изолированных атомах. Эффективное сечение Ф. s_ф сначала растет с w, а затем, когда

становится больше энергии связи электронов самых глубоких оболочек атома, уменьшается. Такая зависимость s_ф от w качественно объясняется тем, что чем больше

по сравнению с E_i , тем пренебрежимее связь электрона с атомом, а для свободного электрона Ф. невозможен. Вследствие того, что электроны К-оболочки наиболее сильно связаны в атоме и эта связь возрастает с атомным номером Z , s_ф имеет наибольшее значение для К-электронов и быстро увеличивается при переходе к тяжёлым элементам (~ Z⁵ ). При

порядка атомных энергий связи Ф. является преобладающим механизмом поглощения гамма-излучения атомами, при более высоких энергиях фотонов его роль становится менее существенной по сравнению с др. механизмами: Комптона эффектом , рождением электронно-позитронных пар.

Ядерным Ф. называется поглощение g-кванта атомным ядром, сопровождающееся его перестройкой (см. Фотоядерные реакции ).

Ф. широко используется в исследованиях строения вещества – атомов, атомных ядер, твёрдых тел (см. Фотоэлектрические явления ), а также в фотоэлектронных приборах.

Лит.: Hertz Н., Uber einen Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung, «Annalen der Physik und Chemie», 1887, Bd 31; Столетов А. Г., Избр. соч., М. – Л., 1950; Эйнштейн А., Собр. научн. тр., т. 3, М., 1966; Tamm Ig., Scliubin S., Zur Theorie des Photoeffektes an Metalien, «Zeitschrift fur Physik», 1931, Bd 68; Лукирский П. И., О фотоэффекте, Л. – М., 1933; Стародубцев С. В., Романов А. М., Взаимодействие гамма-излучения с веществом, ч. 1, Таш., 1964.

Т. М. Лифшиц.

Фотоэффект внешний

Фотоэффе'кт вне'шний, то же, что фотоэлектронная эмиссия .

Фотоэффект внутренний

Фотоэффе'кт вну'тренний, перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящее при поглощении электромагнитного излучения. В неметаллических телах (полупроводниках и диэлектриках ) Ф. в. проявляется в изменении электропроводности (см. Фотопроводимость ), диэлектрической проницаемости среды (см. Фотодиэлектрический эффект ) или в возникновении на ее границах электродвижущей силы (см. Фотоэдс ). В металлах из-за их высокой электропроводности Ф. в. неощутим. Ф. в. используется для изучения электрических свойств веществ и неравновесных электронных процессов в них. Исследование Ф. в. позволяет определять ширину запрещенной зоны веществ, времена жизни электронов проводимости и дырок, механизмы и параметры процессов рекомбинации неравновесных носителей заряда, свойства примесей и др. Ф. в. используется в фотоэлектронных приборах (см. Фоторезистор , Фотоэлемент , Фотодиод , Фототранзистор ) и в устройствах для преобразования солнечной энергии в электрическую (см. Солнечная батарея ).