Полупроводниковый фотоэлемент: Физический принцип работы фотоэлемента ᐉ читать на Elektro.in.UA

Полупроводниковые фотоэлементы.

Принцип работы
полупроводникового фотоэлемента основан
на процессах, происходящих в освещенном
p—n
переходе и описанных выше. Современные
фотоэлементы широко применяются в виде
солнечных батарей (совокупность
электрически соединенных фотоэлементов)
для преобразования энергии солнечного
света непосредственно в электрическую
энергию, питающую установки космических
аппаратов. Обычно для этих целей
используют кремниевые фотоэлементы.
Электронно-дырочный переход в
монокристаллической пластинке кремния
с электропроводностью p—типа
создают диффузией фосфора или сурьмы.
При большой концентрации доноров (фосфор
или сурьма) в поверхностном слое кремния
проводимость n-области
получается высокой. Поэтому невыпрямляющий
контакт к этой области можно сделать в
виде кольца или рамки, оставив всю
поверхность кристалла доступной для
освещения.

Вольт-амперная
характеристика. Режиму
работы фотоэлемента(режиму генерации
фото-ЭДС) при разных освещенностях или
световых потоках соответствуют части
ВАХ, расположенные в третьем квадранте
(рис. ). Точки пересечения ВАХ с осью
напряжений соответствуют значениям
фото-ЭДС или напряжениям холостого хода
при разных освещенностях. У кремниевых
фотоэлементов фото-ЭДС составляет
0.5…..0.55 В.

Точки пересечения
ВАХ с осью токов соответствуют значениям
токов короткого замыкания, которые
зависят от площади выпрямляющего
электрического перехода фотоэлемента.
Поэтому сравнивают и оценивают
фотоэлементы по плотностям тока короткого
замыкания. У кремниевых фотоэлементов
плотность тока короткого замыкания при
средней освещенности солнечным светом
составляет 20….25 мА/см².

По ВАХ при разных
освещенностях фотоэлемента можно
выбрать оптимальный режим работы
фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление
нагрузки, при котором в нагрузке
выделяется наибольшая мощность.
Оптимальному режиму работы фотоэлемента
соответствует наибольшая площадь
прямоугольника с вершиной на ВАХ при
данной освещенности.

Для кремниевых
фотоэлементов при оптимальной нагрузке
напряжение на нагрузке 0. 35…..0.4 В, плотность
тока через фотоэлемент 15…20 мА/см².

Световые
характеристики фотоэлемента –
это зависимости фото-ЭДС и тока короткого
замыкания от светового потока или от
освещенности фотоэлемента (рис. ).
Сублинейность световых характеристик
связана с уменьшением высоты потенциального
барьера при накоплении избыточного
заряда электронов в n-области
и дырок в p-области.

Спектральная
характеристика фотоэлемента – это
зависимость тока короткого замыкания
от длины волны падающего света.
Спектральные характеристики фотоэлементов
аналогичны спектральным характеристикам
фотодиодов, изготовленных на основе
того же полупроводника. Максимум
спектральной характеристики кремниевых
фотоэлементов почти соответствует
максимуму спектрального распределения
энергии солнечного света. Именно поэтому
кремниевые фотоэлементы широко используют
для создания солнечных батарей.

Коэффициент
полезного действия фотоэлемента – это
отношение максимальной мощности, которую
можно получить от фотоэлемента, к полной
мощности лучистого потока, падающего
на рабочую поверхность фотоэлемента:

η=P_max/P.

К основным процессам,
приводящим к уменьшению КПД фотоэлементов,
относят отражение части излучения от
поверхности полупроводника, фотоэлектрически
неактивное поглощение квантов света в
полупроводнике (без образования пар
носителей электрон-дырка), рекомбинацию
неравновесных носителей еще до их
разделения электрическим полем
выпрямляющего перехода (особенно на
поверхности кристалла полупроводника),
потери мощности при прохождении тока
через объемное сопротивление базы
фотоэлемента.

В результате при
преобразовании солнечного света в
электрическую энергию КПД кремниевых
фотоэлементов не превышает 12%. Однако
его можно существенно повысить, используя
в качестве исходного полупроводника
теллурид кадмия, арсенид галлия и другие
материалы с несколько большей шириной
запрещенной зоны, чем у кремния, а также
используя фотоэлементы на основе
гетеропереходов.

С другой стороны,
при замыкании внешней цепи в такой
системе, в ней возникнет ток. Такой режим
работы фотодиода (без внешнего
электрического поля) используется в
качестве одного из режимов полупроводниковых
фотоприемных устройств и получил
название фотогальванического.

Рассчитаем величину
вентильной фото-ЭДС . Запишем
уравнение для тока , текущего через
p-n
переход:

(4)

Здесь плотности
токов неосновных носителей заряда при
освещении

, как следует из рис.1 в), равны своим
значениям в равновесии:

(5)

Плотности токов
основных носителей заряда при освещении

в результате понижения потенциального
барьера на eu
увеличиваются и становятся равными:

(6)

(7)

Объединяя выражения
(5), (6) и (7), получаем:

(8)

или

(9)

откуда будем иметь:

(10)

Уравнение (10)
является уравнением фотодиода для
любого режима.

Для определения
вентильной фото-ЭДС

,
которая соответствует напряжению на
зажимах разомкнутой цепи, необходимо
положить J=0
. Тогда

(11)

Значение
определяется числом избыточных носителей
заряда, созданных светом и дошедших до
p-n
перехода. Если через I/hv
обозначим число фотонов, падающих каждую
секунду на единицу поверхности, через
— квантовый выход, т. е. количество
электронно-дырочных пар, возникающих
на один фотон, а через — долю
непрорекомбинировавших пар носителей
заряда, прошедших к p-n
переходу, то

(12)

Это выражение
справедливо для случая, когда весь
падающий на полупроводник свет
поглощается. С учетом (12)выражение
(11) примет вид:

(13)

При большом уровне
освещения, когда

, имеем:

(14)

При малом уровне
возбуждения, когда

, используя разложение в ряд, получаем

(15)

Т. е. вентильная
фото-ЭДС при малом уровне возбуждения
прямо пропорциональна интенсивности
света. При большом же уровне возбуждения
зависимость переходит в логарифмическую.

На рис.3 приведены
типичные вольт-амперная и люкс-амперная
характеристики германиевого фотодиода
в вентильном (фотогальваническом)
режиме. Отметим, что кривая на рис.3 а)
фактически соответствует отрезку «аб»
кривой 2 на рис.2.

Из формулы (14)
следует, что при увеличении интенсивности
света фото-ЭДС возрастает до тех пор,
пока не сравняются плотности токов

т.е. пока не исчезнет потенциальный
барьер, препятствующий переходу носителей
заряда. Высота барьера представляет
собой максимально достижимое значение

.
Поэтому вентильная фото-ЭДС зависит от
степени легирования, а следовательно,
от положения уровня Ферми. Практически
этот предел соответствует ширине
запрещенной зоны.

Устройство и принцип действия полупроводникового фотоэлемента. Физический эффект работы.

Работы ФЭ основана на
внутреннем фотоэлектрическом эффекте
в полупроводниках. Схема устройства
кремниевого ФЭ показана на рис. 1.
Технологическими методами электроосаждения
или напыления металлический (никелевый)
слой (электрод 1) нанесен на тыльную
сторону кристаллической кремниевой
основы. Она легирована путем диффузии
либо способом ионной бомбардировки в
своей нижней части примесными
(акцепторными) атомами бора (или алюминия),
а в верхней, более тонкой части –
донорными атомами фосфора (или мышьяка).
В результате легирования образованы
слой 2 – полупроводник p-типа с основными
носителями зарядов положительного
знака (дырками) и слой 3 – полупроводник
n-типа
с основными носителями зарядов
отрицательного знака (свободными
электронами). На лицевую сторону кристалла
нанесен узкий электрод 4. Припаянные к
1 и 4 отводящие проводники 5 служат для
подключения сопротивления нагрузки 6
или других ФЭ.

Внешние радиационные
(световые, тепловые) воздействия
обусловливают в слоях 2 и 3 появление
неосновных носителей зарядов, знаки
которых противоположны знакам основных
носителей в p- и n-областях.
Под влиянием электростатического
притяжение разноименные свободные
основные носители диффундируют через
границу соприкосновения областей и
образуют вблизи нее p-n
гетеропереход с напряженностью
электрического поля Е_к
(рис. 1),
контактной разностью потенциалов U_к=sE_к
и потенциальным энергетическим барьером
W_к=eU_к
для основных носителей, имеющих заряд
е.
Напряженность поля Е_к
препятствует их диффузии за пределы
пограничного слоя шириной s.

Напряжение
U_к=(kT/e)ln(p_p/p_n)=(kT/e)ln(n_n/n_p)
зависит от температуры Т,
концентрации дырок (p_p,
p_n)
или электронов (n_n,
n_p)
в p- и n-областях
(индексы р, n),
заряда электрона е и постоянной Больцмана
k.
Для неосновных носителей Е_к
– движущее поле. Оно обусловливает
перемещение дрейфующих электронов из
области р в область n,
а дырок – из области n
в область р. Область n
приобретает отрицательный заряд, а
область р – положительный, что эквивалентно
приложению к p-n
переходу внешнего электрического поля
с напряженностью Е_вш,
встречного с Е_к.
Поле с напряженностью Е_вш
–запирающее для неосновных и движущее
для основных носителей. Динамическое
равновесие потока носителей через p-n
переход приводит к установлению на
электродах 1 и 4 разности потенциалов
U₀
– ЭДС холостого хода ФЭ.

Эти явления могут
происходить радже при отсутствии
освещения p-n
перехода. Пусть ФЭ облучается потоком
световых квантов (фотонов), которые
сталкиваются со связанными (валентными)
электронами кристалла с энергетическими
уровнями W.
Если энергия фотона W_ф=hν
(ν
– частота волны света, h
– постоянная Планка) больше W,
электрон покидает уровень и порождает
здесь дырку; p-n
переход разделяет пары электрон –
дырка, и ЭДС U₀
увеличивается. Если подключить
сопротивления нагрузки R_н,
по цепи пойдет ток I,
направление которого встречно движению
электронов. Перемещение дырок ограничено
пределами полупроводников, во внешней
цепи их нет. Ток I
возрастает с повышением интенсивности
светового потока Ф,
но не превосходит предельного тока I_п
ФЭ, который получается при переводе
всех валентных электронов в свободное
состояние: дальнейший рост числа
неосновных носителей невозможен. В
режиме КЗ (R_н=0,
U_н=IR_н=0)
напряженность поля Е_вш=0,
p-n
переход (напряженность поля Е_к)
наиболее интенсивно разделяет пары
неосновных носителей и получается
наибольший ток фотоэлемента I_ф
для заданного Ф.
Но в режиме КЗ, как и при холостом ходе
(I=0),
полезная мощность P=U_нI=0,
а для 0<U_н<U₀
и 0<I<I_ф
будет P>0.

Типовая
внешняя характеристика кремниевого ФЭ
дляT=300
K,
Ф=1 кВт/м²
и R_вq=4
Ом·см²(R_в– внутреннее
сопротивление, обусловленное материалом
ФЭ, электродами и контактами отводов;
q
– площадь ФЭ) представлена на рис. 2.
Известно, что в заатмосферных условиях
Ф=1.39 кВт/м²,
а на уровне Земли (моря) при расположении
Солнца в зените и поглощении энергии
света водяными парами с относительной
влажность 50% либо при отклонении от
зенита на 60º в отсутствие паров воды
Ф=0. 88÷0.89
кВт/м².

Как работают фотоэлементы?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 19 мая 2021 г.

Вы когда-нибудь были в одной из тех уборных, где краны включаются автоматически, когда вы проводите рукой под ними? Или шел
через электрическую дверь, которая открылась, как только вы подошли? Может быть
ваш дом оснащен невидимыми лучами «волшебный глаз», которые «отключают
нарушителей, подав сигнал тревоги? Или, может быть, у вас есть
калькулятор, который вырабатывает энергию с небольшой встроенной солнечной батареей? Все
эти вещи являются примерами фотоэлементы (иногда
называемые фотоэлементами) — электронные устройства, вырабатывающие электричество при
на них падает свет. Что они собой представляют и как они работают? давайте возьмем
пристальный взгляд!

Фото: мини-панель солнечных батарей на этом карманном калькуляторе использует тип
фотоэлемента, известного как фотогальванический: когда на него падает свет, он производит достаточное напряжение для питания дисплея и электроники внутри.

Содержание

1. Что такое фотоэлектричество?
2. Что такое фотоэффект?
3. Три типа фотоэлектричества
   • Фотопроводящий
   • Фотогальванический
   • Фотоэмиссионный
4. Для чего используются фотоэлементы?
   • Производители электроэнергии
   • Датчики света
   • Усилители света
5. Узнать больше

Что такое фотоэлектричество?

«Фото» означает свет, поэтому фотоэлектричество означает просто электричество
производится световым лучом. Эта идея совсем не кажется необычной в 21-м
века, когда большинство людей слышали о солнечных панелях (куски
материал, например кремний, генерирующий электрический ток при
на них светит солнечный свет). Но представьте, как удивительно фотоэлектрический
эффект должен был казаться немногим более века назад, в 1887 году,
когда он был впервые обнаружен немецким физиком Генрихом Герцем
(1857–1894), один из пионеров радио. Это оставалось чем-то вроде
загадкой почти 20 лет, пока Альберт Эйнштейн не взвесил
почти полное объяснение явления в 1905 году.

Что такое фотоэффект?

Фото: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности — его самая известная
вклад в физику, но за его более раннюю работу по фотоэлектрическому эффекту. Фото предоставлено
Библиотека Конгресса США.

» Кванты энергии проникают через поверхность материала и их соответствующие
энергии по крайней мере частично превращаются в кинетическую энергию электронов».

Альберт Эйнштейн, Annalen der Physik, Vol 17, 1905.

Как свет может волшебным образом превратиться в электричество? это не так
как ни странно это звучит. Мы знаем, например, что свет — это своего рода
электромагнитная энергия: она распространяется таким же образом (и в том же
скорость) как рентгеновские лучи,
микроволны,
радиоволны и другие виды
электромагнетизм. Мы также знаем, что энергия легко может быть
трансформируется из одного вида в другой: потенциальная энергия может быть
превращается в кинетическую энергию и может быть преобразована либо в тепло, либо
звук. Так что идея о том, что свет можно превратить в электричество, неверна.
все такое удивительное.

Тем не менее, когда фотоэлектричество было впервые объяснено в 1905 году,
начало научной революции. Человек, который сделал
объясняя, Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал, что световой луч, падающий на
что-то вроде куска металла, можно представить как поезд
энергичные частицы, называемые фотонами . Фотоны прошли свой
энергии в фиксированных количествах атомам внутри металла, выбивая некоторые
их электронов из них, таким образом производя электрический ток.

Иллюстрация: фотоэлектрический эффект: когда фотоны света (слева) ударяются о лист металла, они передают свою энергию электронам (оранжевые) в металле, выбивая некоторые из них, создавая электрический ток. Вы можете подумать, что более яркий или близкий (более интенсивный) свет выбьет электроны с большей энергией, но это не так. Энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света, а от его цвета (частоты): чем выше частота, тем больше энергии имеют фотоны и тем больше они могут передать электронам в металле. Фотоны более высокочастотного фиолетового света обладают большей энергией, чем фотоны низкочастотного красного света, поэтому они с большей вероятностью выбивают электроны (и освобождают их с более высокой энергией). Фотонам нужно минимум пороговая частота (минимальное количество энергии) для свободных электронов и создания фотоэлектрического эффекта, известного как работа выхода . В показанном здесь примере у фиолетовых фотонов достаточно энергии, чтобы выбить электроны, а у красных — нет.

Как математически показал Эйнштейн, энергия падающих фотонов была точно
связаны с частотой или длиной волны сияющего света и равны
энергии электронов, которые они выбрасывают. объяснение Эйнштейна
фотоэлектрического эффекта было убедительным доказательством того, что энергия может
существуют только в фиксированных количествах, называемых кванты . (Другими словами, вы можете получить энергию в
пакеты семейного размера, но вы не можете разделить пакеты меньше!)
Это стало центральным
элемент квантовой теории : сложная, математическая
объяснение загадочного мира атомов и частиц
скрывается внутри них. И именно за эту работу по фотоэлектричеству Эйнштейн выиграл
Нобелевская премия по физике 1921 г.

Три типа фотоэлектричества

Фотоэлектричество связано с преобразованием световой энергии в электрическую и
происходит в трех разных (хотя, на первый взгляд, очень похожих)
способы. Они известны как фотопроводящие, фотоэмиссионные и
фотогальванические эффекты — и мы рассмотрим каждый из них по очереди.

Между прочим, когда я говорю о свете в этой статье, я имею в виду не только
«видимый» свет мы можем видеть: фотоэлементы также работают с
невидимые формы света, такие как инфракрасный и ультрафиолетовый:
светочувствительные материалы могут «видеть» и реагировать на частоты
свет за пределами диапазона, к которому чувствительны наши собственные глаза.

Фотопроводящий

Фото: Типовой фоторезистор (LDR).

Это самый простой для понимания эффект из трех. Когда я был
подростком, я помню, как недолго играл с электронным
компонент под названием светочувствительный резистор (LDR) . Это было похоже на
маленькая кнопка с двумя клеммами, выходящими сзади, и вы можете
впаяйте его в схему, как и любой другой
резистор. Поверхность
на «кнопке» была линза сверху
(для концентрации падающего света) и под объективом есть
представлял собой кусок светочувствительного материала, сделанный из чего-то вроде
сульфид кальция со змеиным рисунком электрических соединений, проходящих через
Это. В темноте или при обычном свете фоторезистор имел довольно высокое сопротивление.
но если светить прямо на него, то сопротивление уменьшалось
весьма драматично: LDR преобразовывал входящий свет в
электрической энергии и добавления ее к уже проходящему току
через. Это пример фотопроводящего эффекта, где
свет уменьшает сопротивление материала (или увеличивает его
проводимость, если хотите), делая электроны внутри него более
мобильный.

Фотогальваника

Фото: Установленная на крыше солнечная панель из фотогальванических элементов.

Небольшие солнечные батареи на таких устройствах, как калькуляторы и
цифровые часы
иногда называют фотогальваническими элементами. Они немного похожи
диоды, изготовленные из двух слоев полупроводникового материала, размещенных сверху
друг друга. Верхний слой богат электронами, нижний слой,
электрон бедный. Когда вы освещаете верхний слой, электроны прыгают.
вверх от нижнего слоя к верхнему, создавая напряжение, которое может управлять
ток через внешнюю цепь, поэтому обеспечивая то, что мы считаем
солнечная энергия. Узнайте больше о фотогальванике в нашей основной статье на
солнечные батареи.

Фотоэмиссионный

Фото: Базовый фотоэлемент.

Фотоэмиссионные элементы — старейший и самый сложный способ преобразования света в
электричество. Это герметичные стеклянные вакуумные трубки (из которых воздух
полностью удален), внутри которого находится большой металлический
пластина, служащая отрицательной клеммой (или катодом) с меньшим,
положительно заряженный стержнеобразный вывод (или анод), проходящий внутри него.
Минусовая клемма изготовлена ​​из светочувствительного материала. Когда
световые фотоны падают на него, они заставляют электроны выпрыгивать из него и
они сразу же притягиваются к положительной клемме, которая собирает
их и направляет их в цепь, производя электроэнергию. Этот
базовый дизайн называется 9Фотоэлемент 0007 или фотоэлемент .
В несколько иной конструкции, называемой фотоумножителем ,
есть целый ряд тарелок, расположенных так, что одна
входящий фотон высвобождает несколько электронов, эффективно усиливая
входящий световой сигнал, поэтому он производит больший электрический отклик.

Работа: Краткое описание трех типов фотоэлементов.
1) Фотопроводимость — свет увеличивает поток электронов и уменьшает сопротивление.
2) Фотогальваника — свет заставляет электроны перемещаться между слоями, создавая напряжение и ток во внешней цепи.
3) Фотоэмиссионный — свет выбивает электроны с катода на анод, вызывая протекание тока по внешней цепи.

Для чего используются фотоэлементы?

Фото: Фотоэлектрический фонарь безопасности, установленный снаружи дома, где я живу: Когда фотоэлектрический датчик (внизу) обнаруживает движение, свет (вверху) автоматически включается на несколько минут.

Все три типа фотоэлементов могут обнаруживать свет или преобразовывать его в
электричество, но на практике они имеют совсем другое применение.

Генераторы электроэнергии

Подобно миниатюрным электростанциям,
фотоэлементы предназначены для производства
стабильные поставки полезной электроэнергии. От небольших солнечных батарей на
электронных калькуляторов до полностью фотогальванических крыш, их задача
по существу, чтобы производить постоянный запас электроэнергии, которую мы можем
использовать для питания электроприборов или хранить в батареях на потом.

Фото: Как отличить самцов мух от самок? Куколки бахчевых мух
либо коричневые (если они мужчины), либо белые (если они женщины). Их можно разделить, погрузив их в фотоэлектрический
сортировщик, который освещает каждую куколку, определяет, сколько света отражается обратно с помощью фотоэлемента, а затем просеивает
куколку в ту или другую коробку в зависимости от ее цвета. Этот же аппарат можно использовать и для сортировки семян.
Фото Стивена Осмуса предоставлено Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

Детекторы света

Фотопроводящие элементы, такие как светочувствительные резисторы, скорее всего, будут использоваться в качестве
детекторы света в таких вещах, как автоматические смесители для туалетов,
сигнализации, дверные проемы, которые открываются автоматически, датчики дыма,
детекторы угарного газа и так далее. Как правило, они имеют луч
инфракрасный свет постоянно светит на светозависимый резистор и
вырабатывающий постоянный электрический ток. Когда вы двигаетесь перед
детектор, вы прерываете луч и останавливаете свет, достигающий резистора, поэтому его сопротивление
меняется, и он внезапно производит гораздо меньше тока. Электронная схема обнаруживает
изменение тока и запускает любое действие цепи
предназначен для того, чтобы включать кран, открывать дверь,
сигнализация или что это может быть. Фотопроводящие элементы также используются
в качестве детекторов света в камерах, а также для считывания и декодирования
саундтреки на кинолентах старого образца. Датчик изображения CCD или CMOS, который захватывает
фотография в вашей цифровой камере или смартфоне — это более сложная версия той же идеи. В оружии некоторые конструкции неконтактных взрывателей используют фотоэлементы для обнаружения.
когда ракеты достигли цели. Ракета выпускает свет (или радиоволны) и бортовой
фотоэлемент (или радиоприемник) «слушает» отражения. Когда отраженные волны внезапно увеличиваются,
Ракета предполагает, что она находится рядом с целью, и взрывается.

Фото: Типичный фотоэлектрический бесконтактный взрыватель времен Второй мировой войны: Т-4, датируемый
с 1941 года. Он взорвался, когда бортовой фотоэлемент обнаружил внезапное изменение интенсивности света.
Фото любезно предоставлено Цифровыми коллекциями Национального института стандартов и технологий, Gaithersburg, MD 20899.
громоздкий, сложный и дорогой; электронный меньше и дешевле
такие компоненты, как LDR, теперь более широко используются в качестве детекторов света.
Фотоумножители до сих пор используются в научных приложениях, таких как
обнаружение излучений разного рода, а в гаджетах вроде
очки ночного видения, где они усиливают тусклый свет в ночное время
сцену, чтобы ее можно было увидеть более четко.

Как работают фотоэлементы?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 19 мая 2021 г.

Вы когда-нибудь были в одной из тех уборных, где краны включаются автоматически, когда вы проводите рукой под ними? Или шел
через электрическую дверь, которая открылась, как только вы подошли? Может быть
ваш дом оснащен невидимыми лучами «волшебный глаз», которые «отключают
нарушителей, подав сигнал тревоги? Или, может быть, у вас есть
калькулятор, который вырабатывает энергию с небольшой встроенной солнечной батареей? Все
эти вещи являются примерами фотоэлементы (иногда
называемые фотоэлементами) — электронные устройства, вырабатывающие электричество при
на них падает свет. Что они собой представляют и как они работают? давайте возьмем
пристальный взгляд!

Фото: мини-панель солнечных батарей на этом карманном калькуляторе использует тип
фотоэлемента, известного как фотогальванический: когда на него падает свет, он производит достаточное напряжение для питания дисплея и электроники внутри.

Содержание

1. Что такое фотоэлектричество?
2. Что такое фотоэффект?
3. Три типа фотоэлектричества
   • Фотопроводящий
   • Фотогальванический
   • Фотоэмиссионный
4. Для чего используются фотоэлементы?
   • Производители электроэнергии
   • Датчики света
   • Усилители света
5. Узнать больше

Что такое фотоэлектричество?

«Фото» означает свет, поэтому фотоэлектричество означает просто электричество
производится световым лучом. Эта идея совсем не кажется необычной в 21-м
века, когда большинство людей слышали о солнечных панелях (куски
материал, например кремний, генерирующий электрический ток при
на них светит солнечный свет). Но представьте, как удивительно фотоэлектрический
эффект должен был казаться немногим более века назад, в 1887 году,
когда он был впервые обнаружен немецким физиком Генрихом Герцем
(1857–1894), один из пионеров радио. Это оставалось чем-то вроде
загадкой почти 20 лет, пока Альберт Эйнштейн не взвесил
почти полное объяснение явления в 1905 году.

Что такое фотоэффект?

Фото: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности — его самая известная
вклад в физику, но за его более раннюю работу по фотоэлектрическому эффекту. Фото предоставлено
Библиотека Конгресса США.

» Кванты энергии проникают через поверхность материала и их соответствующие
энергии по крайней мере частично превращаются в кинетическую энергию электронов».

Альберт Эйнштейн, Annalen der Physik, Vol 17, 1905.

Как свет может волшебным образом превратиться в электричество? это не так
как ни странно это звучит. Мы знаем, например, что свет — это своего рода
электромагнитная энергия: она распространяется таким же образом (и в том же
скорость) как рентгеновские лучи,
микроволны,
радиоволны и другие виды
электромагнетизм. Мы также знаем, что энергия легко может быть
трансформируется из одного вида в другой: потенциальная энергия может быть
превращается в кинетическую энергию и может быть преобразована либо в тепло, либо
звук. Так что идея о том, что свет можно превратить в электричество, неверна.
все такое удивительное.

Тем не менее, когда фотоэлектричество было впервые объяснено в 1905 году,
начало научной революции. Человек, который сделал
объясняя, Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал, что световой луч, падающий на
что-то вроде куска металла, можно представить как поезд
энергичные частицы, называемые фотонами . Фотоны прошли свой
энергии в фиксированных количествах атомам внутри металла, выбивая некоторые
их электронов из них, таким образом производя электрический ток.

Иллюстрация: фотоэлектрический эффект: когда фотоны света (слева) ударяются о лист металла, они передают свою энергию электронам (оранжевые) в металле, выбивая некоторые из них, создавая электрический ток. Вы можете подумать, что более яркий или близкий (более интенсивный) свет выбьет электроны с большей энергией, но это не так. Энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света, а от его цвета (частоты): чем выше частота, тем больше энергии имеют фотоны и тем больше они могут передать электронам в металле. Фотоны более высокочастотного фиолетового света обладают большей энергией, чем фотоны низкочастотного красного света, поэтому они с большей вероятностью выбивают электроны (и освобождают их с более высокой энергией). Фотонам нужно минимум пороговая частота (минимальное количество энергии) для свободных электронов и создания фотоэлектрического эффекта, известного как работа выхода . В показанном здесь примере у фиолетовых фотонов достаточно энергии, чтобы выбить электроны, а у красных — нет.

Как математически показал Эйнштейн, энергия падающих фотонов была точно
связаны с частотой или длиной волны сияющего света и равны
энергии электронов, которые они выбрасывают. объяснение Эйнштейна
фотоэлектрического эффекта было убедительным доказательством того, что энергия может
существуют только в фиксированных количествах, называемых кванты . (Другими словами, вы можете получить энергию в
пакеты семейного размера, но вы не можете разделить пакеты меньше!)
Это стало центральным
элемент квантовой теории : сложная, математическая
объяснение загадочного мира атомов и частиц
скрывается внутри них. И именно за эту работу по фотоэлектричеству Эйнштейн выиграл
Нобелевская премия по физике 1921 г.

Три типа фотоэлектричества

Фотоэлектричество связано с преобразованием световой энергии в электрическую и
происходит в трех разных (хотя, на первый взгляд, очень похожих)
способы. Они известны как фотопроводящие, фотоэмиссионные и
фотогальванические эффекты — и мы рассмотрим каждый из них по очереди.

Между прочим, когда я говорю о свете в этой статье, я имею в виду не только
«видимый» свет мы можем видеть: фотоэлементы также работают с
невидимые формы света, такие как инфракрасный и ультрафиолетовый:
светочувствительные материалы могут «видеть» и реагировать на частоты
свет за пределами диапазона, к которому чувствительны наши собственные глаза.

Фотопроводящий

Фото: Типовой фоторезистор (LDR).

Это самый простой для понимания эффект из трех. Когда я был
подростком, я помню, как недолго играл с электронным
компонент под названием светочувствительный резистор (LDR) . Это было похоже на
маленькая кнопка с двумя клеммами, выходящими сзади, и вы можете
впаяйте его в схему, как и любой другой
резистор. Поверхность
на «кнопке» была линза сверху
(для концентрации падающего света) и под объективом есть
представлял собой кусок светочувствительного материала, сделанный из чего-то вроде
сульфид кальция со змеиным рисунком электрических соединений, проходящих через
Это. В темноте или при обычном свете фоторезистор имел довольно высокое сопротивление.
но если светить прямо на него, то сопротивление уменьшалось
весьма драматично: LDR преобразовывал входящий свет в
электрической энергии и добавления ее к уже проходящему току
через. Это пример фотопроводящего эффекта, где
свет уменьшает сопротивление материала (или увеличивает его
проводимость, если хотите), делая электроны внутри него более
мобильный.

Фотогальваника

Фото: Установленная на крыше солнечная панель из фотогальванических элементов.

Небольшие солнечные батареи на таких устройствах, как калькуляторы и
цифровые часы
иногда называют фотогальваническими элементами. Они немного похожи
диоды, изготовленные из двух слоев полупроводникового материала, размещенных сверху
друг друга. Верхний слой богат электронами, нижний слой,
электрон бедный. Когда вы освещаете верхний слой, электроны прыгают.
вверх от нижнего слоя к верхнему, создавая напряжение, которое может управлять
ток через внешнюю цепь, поэтому обеспечивая то, что мы считаем
солнечная энергия. Узнайте больше о фотогальванике в нашей основной статье на
солнечные батареи.

Фотоэмиссионный

Фото: Базовый фотоэлемент.

Фотоэмиссионные элементы — старейший и самый сложный способ преобразования света в
электричество. Это герметичные стеклянные вакуумные трубки (из которых воздух
полностью удален), внутри которого находится большой металлический
пластина, служащая отрицательной клеммой (или катодом) с меньшим,
положительно заряженный стержнеобразный вывод (или анод), проходящий внутри него.
Минусовая клемма изготовлена ​​из светочувствительного материала. Когда
световые фотоны падают на него, они заставляют электроны выпрыгивать из него и
они сразу же притягиваются к положительной клемме, которая собирает
их и направляет их в цепь, производя электроэнергию. Этот
базовый дизайн называется 9Фотоэлемент 0007 или фотоэлемент .
В несколько иной конструкции, называемой фотоумножителем ,
есть целый ряд тарелок, расположенных так, что одна
входящий фотон высвобождает несколько электронов, эффективно усиливая
входящий световой сигнал, поэтому он производит больший электрический отклик.

Работа: Краткое описание трех типов фотоэлементов.
1) Фотопроводимость — свет увеличивает поток электронов и уменьшает сопротивление.
2) Фотогальваника — свет заставляет электроны перемещаться между слоями, создавая напряжение и ток во внешней цепи.
3) Фотоэмиссионный — свет выбивает электроны с катода на анод, вызывая протекание тока по внешней цепи.

Для чего используются фотоэлементы?

Фото: Фотоэлектрический фонарь безопасности, установленный снаружи дома, где я живу: Когда фотоэлектрический датчик (внизу) обнаруживает движение, свет (вверху) автоматически включается на несколько минут.

Все три типа фотоэлементов могут обнаруживать свет или преобразовывать его в
электричество, но на практике они имеют совсем другое применение.

Генераторы электроэнергии

Подобно миниатюрным электростанциям,
фотоэлементы предназначены для производства
стабильные поставки полезной электроэнергии. От небольших солнечных батарей на
электронных калькуляторов до полностью фотогальванических крыш, их задача
по существу, чтобы производить постоянный запас электроэнергии, которую мы можем
использовать для питания электроприборов или хранить в батареях на потом.

Фото: Как отличить самцов мух от самок? Куколки бахчевых мух
либо коричневые (если они мужчины), либо белые (если они женщины). Их можно разделить, погрузив их в фотоэлектрический
сортировщик, который освещает каждую куколку, определяет, сколько света отражается обратно с помощью фотоэлемента, а затем просеивает
куколку в ту или другую коробку в зависимости от ее цвета. Этот же аппарат можно использовать и для сортировки семян.
Фото Стивена Осмуса предоставлено Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

Детекторы света

Фотопроводящие элементы, такие как светочувствительные резисторы, скорее всего, будут использоваться в качестве
детекторы света в таких вещах, как автоматические смесители для туалетов,
сигнализации, дверные проемы, которые открываются автоматически, датчики дыма,
детекторы угарного газа и так далее. Как правило, они имеют луч
инфракрасный свет постоянно светит на светозависимый резистор и
вырабатывающий постоянный электрический ток. Когда вы двигаетесь перед
детектор, вы прерываете луч и останавливаете свет, достигающий резистора, поэтому его сопротивление
меняется, и он внезапно производит гораздо меньше тока. Электронная схема обнаруживает
изменение тока и запускает любое действие цепи
предназначен для того, чтобы включать кран, открывать дверь,
сигнализация или что это может быть. Фотопроводящие элементы также используются
в качестве детекторов света в камерах, а также для считывания и декодирования
саундтреки на кинолентах старого образца. Датчик изображения CCD или CMOS, который захватывает
фотография в вашей цифровой камере или смартфоне — это более сложная версия той же идеи. В оружии некоторые конструкции неконтактных взрывателей используют фотоэлементы для обнаружения.
когда ракеты достигли цели. Ракета выпускает свет (или радиоволны) и бортовой
фотоэлемент (или радиоприемник) «слушает» отражения. Когда отраженные волны внезапно увеличиваются,
Ракета предполагает, что она находится рядом с целью, и взрывается.

Фото: Типичный фотоэлектрический бесконтактный взрыватель времен Второй мировой войны: Т-4, датируемый
с 1941 года. Он взорвался, когда бортовой фотоэлемент обнаружил внезапное изменение интенсивности света.