Физика. 11 класс

Открытие фотоэффекта позволило ученым и инженерам создать целый ряд технических устройств, выполняющих различные типы рутинных работ: от контроля пассажиров в метро до включения (выключения) городского освещения. Что это за приборы? Как они устроены и каковы основные принципы их работы?

Рассмотрим вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, работающие на основе внешнего фотоэффекта. Такие фотоэлементы представляют собой вакуумированные или наполненные инертным газом стеклянные баллоны (Рис. 178-2,а). На внутреннюю поверхность такого баллона нанесен слой чувствительного металла,  который является катодом K фотоэлемента (см. рис. 178-2, а). Анодом A является металлическая сфера (пластина). Приложив между электродами достаточное напряжение, получаем готовый к действию прибор — вакуумный фотоэлемент. В нем энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее. Условное обозначение вакуумного фотоэлемента приведено на рисунке 178-2, б.

Заполнение баллона фотоэлемента инертным газом (аргоном) под давлением 1-10 Па позволяет увеличить силу фототока в десятки раз за счет ударной ионизации.

Области применения фотоэффекта существенно расширились после создания фотоэлементов, чувствительных к видимому и инфракрасному излучению. Для этого на поверхность металлов наносится специальная оксидная пленка, позволяющая уменьшить работу выхода электронов.

В настоящее время вакуумные фотоэлементы могут применяться в инфракрасной области спектра, так как для «наиболее чувствительных» фотокатодов красной границе соответствует длина волны  В зависимости от материала катода и колбы фотоэлементы можно применять в диапазоне длин волн от 0,2мкм до 1,1мкм . Главный недостаток вакуумных фотоэлементов заключается в том, что в сила возникающего в них тока мала.

Наряду с фотоэлементами, работающими на внешнем фотоэффекте, широко используются устройства, использующие внутренний фотоэффект (рис. 178-3).

При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, не нарушая нейтральности последнего. При этом в веществе изменяется концентрация носителей        тока или их подвижность, что приводит к изменению электрических свойств вещества под действием падающего на него света.

Этот эффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам, поэтому на их основе создана и работает большая группа приемников света — фоторезисторов (рис. 178-4, а). Фоторезистор (фотосопротивление) — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием света. Проводимость фоторезистора, обусловленную появлением дополнительных носителей свободных зарядов под воздействием света, называют фотопроводимостью. На рисунках 178-4, б и 178-4,в приведены фотодиод и фототранзистор, которые также работают на внутреннем фотоэффекте.

Современная спектрометрия и фотометрия (спектральный анализ веществ, регистрация инфракрасных спектров, измерение слабых световых потоков) невозможны без применения фотоэлементов. Применение фотоэлементов на внутреннем фотоэффекте расширило диапазон их  использования в инфракрасной области спектра до 40 мкм.