Вакуумный фотоэлемент. 
Изучение внешнего и вентильного фотоэффектов

Простейший тип вакуумного фотоэлемента, действие которого основано на внешнем фотоэффекте, изображен на рисунке 6. Он представляет собой небольшой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри чувствительным слоем. В зависимости от того, для какой спектральной области предназначен фотоэлемент, употребляют разные слои: серебряный, калиевый, цезиевый, сурьмяно-цезиевый и т. д. Этот слой служит катодом К. Анод обычно берется в виде кольца А. Между катодом и анодом с помощью батареи возбуждается разность потенциалов. При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента тока нет. При попадании света на катод в цепи возникает ток. Для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют каким-либо инертным газом при небольшом давлении.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

Фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое, так называемом вентильном фотоэффекте, непосредственно превращают падающую на них лучистую энергию в электрическую, являясь, таким образом, генераторами электрической энергии, хотя очень малой мощности. Они не нуждаются в источнике внешнего напряжения, как фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом.

Возникновение вентильного фотоэффекта наблюдается в системах, состоящих из контактирующих друг с другом электронного и дырочного полупроводников. В этом случае на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости возникает так называемый р-п переход вследствие взаимного проникновения основных носителей. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей и способствует движению неосновных носителей (см. рис. 7). В результате установится равновесие I₀ = I_н и тока через контакт не будет.

При освещении р-полупроводника светом освобождаются электроны и дырки. Освобождённые носители перемещаются из области, где они созданы и имеются в повышенном количестве, к местам, где их мало. Если расстояние от освещаемой поверхности до р-п перехода мало, все электроны, генерируемые светом, будут переходить в п-область. Дырки же, напротив, будут задерживаться контактным полем и оставаться р-области. Происходит накопление основных носителей тока. Теперь I₀ не равно I_н,, т. е. через р-п переход в запорном направлении пойдет ток, который на сопротивлении р-п перехода создает разность потенциалов, уменьшая контактную разность потенциалов. Этот фототок равен I_ф=en, где е — заряд электрона, n — число электронов (число пар), создаваемых светом в одну секунду. Параллельно с ростом концентрации носителей тока возрастает создаваемое ими электрическое поле, которое препятствует их дальнейшему переходу через запирающий слой. В некоторый момент наступает динамическое равновесие, т. е. число перемещающихся неосновных носителей тока через запирающий слой будет одинаковым в одном и другом направлениях, и между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, так называемая электродвижущая сила.

Основными изучаемыми характеристиками вентильных фотоэлементов являются вольтамперные, световые и спектральные характеристики.

Вольтамперные характеристики представляют собой зависимость фототока I _Ф, генерируемого освещённым фотоэлементом, от приложенного напряжения U при включении его на различные нагрузочные сопротивления R (см. рис. 8). Точки пересечения вольтамперной характеристики с осью абсцисс дают электродвижущую силу фотоэлемента, а с осью ординат — величину тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания пропорционален силе падающего света, а э.д.с. будет стремиться к насыщению при изменении освещённости фотоэлемента. Током короткого замыкания обычно определяется чувствительность фотоэлементов. Различают интегральную и спектральную светимость.

Интегральная чувствительность фотоэлемента г_u — это отношение фототока короткого замыкания I_к к падающему световому потоку белого света Ф:

. (9).

Спектральная чувствительность — это отношение тока короткого замыкания I_к к световому потоку монохроматического излучения Ф_л с длиной волны л:

, R=0

фотоэлектрический вакуумный вольтамперный вентильный Характерно, что чувствительность резко зависит от спектрального состава излучения.

Спектральные характеристики выражают зависимость силы фототока на единицу энергии от длины волны падающего света. В большинстве случаев спектральная характеристика имеет один ярко выраженный максимум (см. рис. 9). Наиболее близкими по спектральной характеристике к человеческому глазу являются селеновые фотоэлементы, у которых максимум приходится на длину волны 0.59 мк.

Световые характеристики вентильных фотоэлементов выражают зависимость силы фототока (или — фотоэлектродвижущей силы) от величины падающего светового потока Ф. Эти зависимости отступают от линейности тем более заметно, чем больше величина сопротивления внешней цепи. Так из рисунка 10 видно, что с увеличением интенсивности светового потока величина фотоэдс возрастает, достигая насыщения при больших освещённостях.

Структура вентильного фотоэлемента схематически изображена на рисунке 11. Кристаллический селен (слой 3), из которого состоит основной слой полупроводника в селеновых фотоэлементах, имеет дырочную проводимость. На него наносится полупрозрачный слой металла (слой 1), атомы которого диффундируют в селен, поэтому приповерхностный слой селена приобретает электронную проводимость (слой 2). Свет, проходя через полупрозрачный слой металла 1 и тонкий запирающий слой 2, попадает в основной полупроводник 3, но не проникает глубоко вследствие поглощения. Возникающая фотоэдс снимается с металлических электродов 1 и 4.

Фотоэффект (как внешний, так и внутренний) используется в фотоэлектронных приборах (фотоэлементы, фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлектронные умножители), получивших разнообразные применения в науке и технике (в телевидении, космической технике).