2.4. Внутрішній фотоефект

Вище ми говорили про звільнення електронів з освітлюваної поверхні речовини і перехід їх в інше середовище, зокрема в вакуум. Таке випускання електронів називають фотоелектронної емісією, а саме явище зовнішнім фотоефектом. Поряд з ним відомий також і широко використовується в практичних цілях так званий внутрішній фотоефект, при якому, на відміну від зовнішнього, оптично збуджені електрони залишаються всередині освітленого тіла, не порушуючи нейтральності останнього. При цьому в речовині змінюється концентрація носіїв заряду або їх рухливість, що призводить до зміни електричних властивостей речовини під дією падаючого на нього світла. Внутрішній фотоефект притаманний тільки напівпровідників і діелектриків. Його можна виявити, зокрема, щодо зміни провідності однорідних напівпровідників при їх освітленні. На основі цього явища - фотопровідності створена і постійно вдосконалюється велика група приймачів світла - фоторезисторів. Для них використовується в основному селенід і сульфід кадмію.

В неоднорідних напівпровідниках поряд зі зміною провідності спостерігається також утворення різниці потенціалів (фото - е.р.с.). Це явище (фотогальванічні ефект) обумовлено тим, що в силу однородностей провідності напівпровідників відбувається просторове розділення усередині об'єму провідника оптично порушених електронів, що несуть негативний заряд і микрозон (дірок), що виникають в безпосередній близькості від атомів, від яких відірвалися електрони, і подібно часткам несучих позитивний елементарний заряд. Електрони і дірки концентруються на різних кінцях напівпровідника, внаслідок чого і виникає електрорушійна сила, завдяки якій і виробляється без застосування зовнішньої е.р.с. електричний струм в навантаженні, підключеної паралельно освітленому напівпровідника. Таким чином досягається пряме перетворення світлової енергії в електричну. Саме з цієї причини фотогальванічні приймачі світла і

використовуються не тільки для реєстрації світлових сигналів, Нои в електричних ланцюгах як джерела електричної енергії.

Основні промислово випускаються типи таких приймачів працюють на основі селену і сірчистого срібла. Дуже поширений також кремній, германій і ряд сполук - GaAs, InSb, CdTe та інші. Фотогальванічні елементи, які використовуються для перетворення сонячної енергії в електричну, придбали особливо широке застосування в космічних дослідженнях як джерела бортового харчування. Вони мають відносно високим коефіцієнтом корисної дії (до 20%), дуже зручні в умовах автономного польоту космічного корабля. У сучасних сонячних елементах в залежності від напівпровідникового матеріалу фото - е.р.с. досягає 1 - 2 В, з'їм струму з - декількох десятків міліампер, а на 1 кг маси вихідна потужність досягає сотень ват. [1]

3.Висновок

В даний час на основі зовнішнього і внутрішнього фотоефекту будується безліч приймачів випромінювання, що перетворюють світловий сигнал в електричний і об'єднаних загальною назвою - фотоелементи. Вони знаходять досить широке застосування в техніці і в наукових дослідженнях. Найрізноманітніші об'єктивні оптичні вимірювання немислимі в наш час без застосування того чи іншого типу фотоелементів. Сучасна фотометрія, спектрометрія і спектрофотометрія в найширшої області спектра, спектральний аналіз речовини, об'єктивне вимірювання дуже слабких світлових потоків, які спостерігаються, наприклад, при вивченні спектрів комбінаційного розсіювання світла, в астрофізиці, біології і т. д. важко уявити собі без застосування фотоелементів; реєстрація інфрачервоних спектрів часто здійснюється спеціальними фотоелементами для довгохвильовій області спектра. Надзвичайно широко використовуються фотоелементи в техніці: контроль і управління виробничими процесами, різноманітні системи зв'язку від передачі зображення і телебачення до оптичного зв'язку на лазерах і космічної техніки є далеко не повний перелік найрізноманітніших технічних питань у сучасній промисловості та зв'язку.

Історія створення фотоелементів налічує вже понад 130 років. Перший фотоелемент, заснований на внутрішньому фотоефекті і використовує явище фотопровідності, був побудований в 1875 р., перший же вакуумний фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, був побудований в 1889 р. Промислове виробництво вакуумних фотоелементів в Росії було організовано П.В. Тимофєєвим в 1930 р. Цікаво відзначити, що фотоелементи, які використовують зовнішній фотоефект, раніше придбали широкий розвиток, хоча внутрішній фотоефект був відкритий по крайней мере на 50 років раніше. Тільки в сорокових роках нашого століття завдяки бурхливому розвитку фізики напівпровідників і детальному вивченню внутрішнього фотоефекту почалося створення нових фотоелементів на основі напівпровідникових матеріалів.

Величезна різноманітність завдань, що вирішуються за допомогою фотоелементів, викликало до життя надзвичайно велику різноманітність типів фотоелементів з різними технічними характеристиками. Вибір оптимального типу фотоелементів для вирішення кожної конкретної задачі грунтується на знанні ці характеристик. Для фотоелементів із зовнішнім фотоефектом (вакуумних фотоелементів) необхідне знання наступних характеристик: робоча область спектра; відносна характеристика спектральної чутливості (вона будується як залежність від довжини хвилі падаючого світла безрозмірною величини відносини спектральної чутливості при монохроматичному висвітленні до чутливості в максимумі цієї характеристики); інтегральна чутливість (вона визначається при висвітленні фотоелемента стандартним джерелом світла); величина квантового виходу (процентне відношення числа емітованих фотоелектронів до числа падаючих на фотокатод фотонів); інерційність (для вакуумних фотоелементів вона визначається зазвичай через час прольоту електронів від фотокатода до анода). Важливим параметром служить також темнової струм фотоелемента, який складається з термоемісії фотокатода при кімнатній температурі і струму витоку.

Великою перевагою всіх приймачів світла, використовують зовнішній фотоефект, є та обставина, що їх фотострум не змінюється при зміні навантаження. Це означає, що при малих значеннях фотоструму можна застосувати практично як завгодно великий опір навантаження і тим самим досягти значення падіння напруги на ньому, достатньо зручного для реєстрації та посилення. З іншого боку, замінюючи опір на ємність, можна, вимірюючи напругу на цій ємності, отримувати величину, пропорційну усередненої величиною світлового потоку за заданий інтервал часу. Останнє надзвичайно важливо в тих випадках, коли необхідно виміряти світловий потік від нестабільного світу - ситуація, типова для спектроаналітіческіх вимірювань.

У надзвичайно великій кількості випадків застосування фотоелементів не пред'являються строгі вимоги до їх вимірювальним властивостями. Тому фотоелементи, що працюють на основі внутрішнього фотоефекту, в силу їх малих габаритів, низьких напруг харчування і ряду конструктивних достоїнств повсюдно застосовуються для автоматичних систем, систем управління, перетворення сонячної енергії, контролю виробництва і т. д., за винятком тих випадків, коли щодо невисокі інерційні властивості цих фотоелементів перешкоджають їх використання. [1]