Gc-helper.ru

ГК Хелпер
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток насыщения протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении

Вольт — амперная характеристика фотоэлемента

В дальнейших экспериментах была детально исследована зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к пластинам конденсатора при заданной величине падающего светового потока. Такая зависимость называется вольт-амперной характеристикой (рис. 18).

Рис. 18. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Как видно из рис. 18, вольт-амперная характеристика стремится к насыщению по мере увеличения разности потенциалов. С другой стороны, при некоторой отрицательной разности потенциалов — Uэ вольт-амперная характеристика обращается в ноль.

Как уже говорилось, падающий свет выбивает электроны из отрицательной пластины конденсатора (из катода). В отсутствие электрического поля — при U=0 большинство вырванных электронов (хотя и не все) долетают до другой пластины. При положительной разности потенциалов, т. е. при ускоряющем электрическом поле, сила фототока слегка увеличивается, а затем достигает своего предельного значения. Предельное значение фототока носит название тока насыщения — Iнас. Ток насыщения соответствует случаю, когда все вырванные светом электроны достигают анода.

Если увеличить световой поток, падающий на катод, то есть увеличить число выбиваемых электронов, то ток насыщения станет увеличиваться (рис. 19).

Рис. 19. Вольт-амперная характеристика при разных световых потоках (Ф21)

Рассмотрим теперь левую часть рис. 18. При некотором отрицательном задерживающем потенциале — U3 — сила фототока становится равна нулю. Это означает, что такое электрическое поле тормозит вылетевшие электроны до полной остановки и отбрасывает их обратно на катод. Из этого условия можно найти значение максимальной кинетической энергии вырванных электронов по формуле:

(3)

где те — масса электрона, е — заряд электрона (е=1,6·10 -19 Кл).

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит только от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает (рис. 20).

Рис. 20. Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v, то фотоэффекта не происходит. Частоту v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Дата добавления: 2015-08-08 ; просмотров: 3013 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Лекция 14

1.Замечание о вакууме

Электрического тока в вакууме нет, т.к. в термодинамическом вакууме отсутствуют какие-либо частицы.

Однако наилучший достигнутый практически вакуум составляет


,

т.е. огромное количество частиц.

Тем не менее, когда говорят о токе в вакууме, подразумевают идеальный в термодинамическом смысле вакуум, т.е. полное отсутствие частиц. За протекание тока отвечают частицы, полученные из какого-либо источника.

2.Работа выхода

Как известно, в металлах существует электронный газ, который удерживается силой притяжения к кристаллической решетке. В нормальных условиях энергия электронов не велика, поэтому они удерживаются внутри кристалла.

Если подходить к электронному газу с классических позиций, т.е. считать, что он подчиняется распределению Максвелла-Больцмана, то очевидно, что существует большая доля частиц, скорости которых выше средних. Следовательно, эти частицы обладают достаточной энергией, чтобы вырваться за пределы кристалла и образовать вблизи него электронное облако.

Поверхность металла при этом заряжается положительно. Образуется двойной слой, который препятствует удалению электронов от поверхности. Следовательно, чтобы удалить электрон, необходимо сообщить ему дополнительную энергию.

Определение:Работой выхода электронов из металла называется энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его с поверхности металла в бесконечность в состоянии с нулевой Ek.

Для разных металлов работа выхода различна.

МеталлРабота выхода, эВ
Pt5,3
W4,3
Na2,3
Cs1,81
Mo4,3

3.Электронная эмиссия

В обычных условиях энергия электронов достаточно мала и они связаны внутри проводника. Существуют способы сообщения электронам дополнительной энергии. Явление испускания электронов при внешнем воздействии называется электронной эмиссией, и было открыто Эдисоном в 1887 году. В зависимости от способа сообщения энергии различают 4 вида эмиссии:

1. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ), способ – подвод тепла (нагрев).

2.Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ), способ – освещение.

3. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ), способ – бомбардировка частицами.

4. Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ), способ – сильное электрическое поле.

4.Автоэлектронная эмиссия

Под действием сильного электрического поля электроны могут вырываться с поверхности металла.

Читать еще:  Как узнать ток потребления светодиода



Данной величины напряженности хватает, чтобы вырвать электрон.

Данное явление называется холодной эмиссией. Если поле достаточно сильное, то число электронов может стать большим, а, следовательно, большим ток. По закону Джоуля – Ленца будет выделяться большое количество теплоты и АЭЭ может перейти в ТЭЭ.

5.Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ)

Явление фотоэффекта известно достаточно давно, смотри «Оптика».

6.Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ)

Это явление применяется в фотоэлектронных умножениях (ФЭУ).

При работе происходит лавинообразное нарастание числа электронов. Применяется для регистрации слабых световых сигналов.

7.Вакуумный диод

Для изучения ТЭЭ применяют устройство, которое называется вакуумный диод. Чаще всего конструктивно он представляет собой два коаксиальных цилиндра, помещенных в стеклянную вакуумную колбу.

Нагрев катода осуществляется электрическим током прямым или косвенным способом. При прямом – ток проходит через сам катод, при косвенном – внутри катода помещают дополнительный проводник – нить накала. Разогрев происходит до достаточно высоких температур, поэтому катод делают сложным. Основа – тугоплавкий материал (вольфрам), а покрытие – материал с малой работой выхода (цезий).


Диод относится к нелинейным элементам, т.е. он не подчиняется закону Ома. Говорят, что диод – это элемент с односторонней проводимостью. Большая часть ВАХ диода описывается законом Богуславского – Ленгмюра или законом «3/2»

При повышении температуры накала ВАХ сдвигается вверх и ток насыщения растет. Зависимость плотности тока насыщения от температуры описывается законом Ричардсона – Дешмана

Методами квантовой статистики можно получить эту формулу с const=B одинаковой для всех металлов. Эксперимент показывает, что константы различны.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, играющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис. 9.1). При освещении фото­эле­мента из катода вылетают электроны и под действием электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.

Рис. 9.1

Газонаполненный фото­эле­мент содержит какой-либо инертный газ под небольшим давлением. Первичные фотоэлектроны иони­зируют атомы газа, что приводит к увеличению тока, проходящего через элемент.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

(полупроводниковые фотоэлементы)

Фотосопротивление. Действие его основано на явлении фотопроводимости. На рис.9.2 показано включение фотосо­противления в электрическую цепь. Без освещения фотосопротивления ток в цепи практи­чески отсутствует, при освещении ток возрастает в тысячи раз.

Рис. 9.2

Фотосопротивления обладают чув­ствительностью в сотни и тысячи раз большей, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Кроме того, они имеют широкий диапазон спектральной чув­стви­тельности: от инфракрасных до рент­ге­нов­ских и g — лучей. Недостатками их являются значительная инер­ционность и зависимость свойств от температуры.

Вентильные фотоэлементы (фотоэлементы с запирающим слоем).

В вентильных фотоэлементах используется фотогальванический эффект (разновидность внутреннего фотоэффекта). В отличие от других фотоэлементов, вентильные фотоэлементы не требуют при работе источника тока, так как сами являются таким источником.

Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики фотоэлементов

Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента называется кривая, выражающая зависимость фототока от напряжения. На рис. 9.3 показана вольт — амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Она отличается двумя особенностями:

а) при увеличении напряжения U между анодом и катодомфототок IФ достигает насыщения (с увеличением освещенности ток насыщения возрастает);

б) существует такое зна­чение задерживающей разности потенциалов Uз , при котором фототок прекращается. Электроны перестают достигать анода, когда работа задерживающего электрического поля становится равной их начальной кинетической энергии: ,

где е, m и v — это заряд, масса и скорость электрона соответственно.

Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер.

Люкс-амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времени nпропорционально освещенности (Iн = е n

Световая характеристика фотосопротивлений имеет нелинейный характер.

Применение фотоэлементов

Фотоэлементы используются в технике и в научных исследованиях. Например, они применяются в звуковом кино для воспроизведения звука, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы позволяют управлять на расстоянии процессами производства. При нарушениях хода процесса изменяется поток света, попадающего на фотоэлемент, и создается ток, выключающий весь процесс. С помощью фотоэлементов измеряются весьма слабые световые потоки (например, в биологии, астрофизике), регистрируются инфракрасные спектры, осуществляется фотографирование в темноте и т.д.

Вентильные фотоэлементы используются для изготовления “солнечных” батарей, преобразующих энергию Солнца в электрическую. Кремневые “солнечные” батареи применяются, например, для питания аппаратуры на искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях.

Фотоэлементы могут быть использованы для измерения освещенности рабочих мест. Приборы, служащие для измерения освещенности, называются люксметрами.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.

2.Снять вольт-ампернуюхарактеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):

2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.9.4.

2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света.

Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэлемент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока Iфот напряжения для двух расстояний r1 и r2 фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 1.

П р и м е ч а н и е. Расстояния r1 и r2 необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).

Таблица 1

НомерU, ВIф, А
измеренияr1 =r2 =
. .

2.3. По измеренным данным построить графики Iф = f (U).

3. Снять люкс-амперную характеристику:

3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока Iфот освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r , то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 2.

П р и м е ч а н и е. U = сonst должно быть подобрано так, чтобы r можно было менять в широком пределе.

3.2. По данным табл. 2 построить график Iф = f (E) = f (1 / r 2 ).

4. Снять характеристики фотосопротивления:

Таблица 2

НомерU, B =
измере-нияrIф, АE = 1/r 2
. . .

4.1. Выключить выпрямитель. На место фотоэлемента подключить в цепь фотосопротивление, установив его на оптическую скамью. По аналогии с пп. 2,3 снять однувольт-амперную и одну люкс-амперную кривые для фотосопротивления. Результаты занести в таблицы, аналогичные табл. 1 и 2.

4.2. По измеренным данным построить графики Iф= f (U), Iф =f (E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Понятие о квантовых свойствах света. Энергия кванта света.

2. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности.

3. Внутренний фотоэффект и его объяснение на основе зонной теории строения вещества.

4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, его физический смысл.

5. “Красная граница” фотоэффекта.

6. Объяснение закономерностей фотоэффекта на основе квантовой природы света

7. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

8. Зависимость тока насыщения фотоэлементов от освещенности.

9. Задерживающая разность потенциалов и ее связь с кинетической энергией электрона, вылетевшего из катода в результате фотоэффекта.

10. Зависимость проводимости фотосопротивления от освещенности.

11. Вольт-амперная и люкс-амперная характеристики фотосопротивления.

Ток насыщения протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства которого (сила тока, внутреннее сопротивление, или э. д. с.) изменяются под действием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы делятся на три класса.

Вакуумные, или электронные фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме.

Газонаполненные или ионные фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа.

Полупроводниковые — в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость элементов или создают э. д. с.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект, называемый иначе фотоэлектронной эмиссией, как указывалось (§ 13-4), заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов — свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах — фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения э. д. с. в -переходе вследствие разделения полем перехода электронно-дырочных пар, возникающих под действием падающего на переход светового потока.

Фотодиоды могут работать или в режиме с источником внешнего напряжения или в режиме без источника питания, сами являясь источниками э. д. с.

Наиболее распространенными электронными фотоэлементами являются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые.

Рис. 18-1. Электронный фотоэлемент и его условное обозначение.

Рис. 18-2. Схема включения фотоэлемента.

Электронный кислородно-цезиевый фотоэлемент (рис. 18-1) состоит из стеклянной колбы, в которой создан вакуум. Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения света в колбу, покрывается слоем серебра (подложка), на который наносится полупроводниковый слой окиси цезия — катод фотоэлемента К. У сурьмяно-цезиевых вакуумных фотоэлементов подложка выполняется из сурьмы, на которую наносится полупроводниковый слой.

Анод А в фотоэлементах изготовляется в виде кольца, так как он не должен преграждать путь световому потоку к катоду.

Ионные фотоэлементы изготовляются только кислородно-цезиевыми. Они отличаются от электронных только тем, что колба после откачки воздуха заполняется аргоном при низком давлении.

Соединив фотоэлемент с сопротивлением нагрузки и источником питания (рис. 18-2), получим на фотоэлементе анодное напряжение а между анодом и катодом электрическое поле.

Если через окно фотоэлемента на его катод будет падать световой поток, то эмиттированные электроны под действием сил поля будут перемещаться от катода к аноду. Таким образом, в цепи установится фототок, который будет проходить в течение всего времени освещения катода. Зависимость фототока от светового потока Ф при неизменном напряжении источника э. д. с., т. е.

называется световой характеристикой

Рис. 18-3. Световые характеристики: а — электронного фотоэлемента; б — ионного фотоэлемента.

Для электронного фотоэлемента она линейна (рис. 18-3, а):

Для ионного фотоэлемента она нелинейна (рис. 18-3, б).

В ионном фотоэлементе ионизация электронами атомов газа увеличивает поток электронов, т. е. увеличивает ток фотоэлемента. Отношение тока усиленного за счет ионизации газа к первичному электронному фототоку называется коэффициентом газового усиления

Чем больше газа введено в фотоэлемент, тем больше коэффициент КТ. Обычно он равен 4—6.

Одним из важных параметров фотоэлемента является его интегральная чувствительность, представляющая собой отношение фототока, выраженного в микроамперах к световому потоку белого света, выраженному в люменах (лм), получаемому от стандартного источника света.

Для электронных фотоэлементов она составляет 20— 120 мкА/лм, а для ионных 150-250 мкА/лм.

Фотоэлектронная эмиссия, а следовательно, и фототок фотоэлемента зависит от длины волны к светового излучения (§ 13-4), поэтому, кроме интегральной чувствительности, пользуются понятием спектральной чувствительности.

Рис. 18-4. Спектральные характеристики электронных фотоэлементов.

Спектральной чувствительностью называют отношение фототока к световому потоку заданной длины волны т. е.

Зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего на фотоэлемент светового потока постоянной величины называется спектральной характеристикой элемента, т. е.

Из рис. 18-4 видно, что у сурьмяно-цезиевого фотоэлемента селективный максимум находится в области голубых и зеленых лучей (А, = 0,4 — 0,5 мкм).

У кислородно-цезиевого элемента имеется два селективных максимума при мкм и при мкм.

Вольт-амперные характеристики (рис. 18-5) электронного фотоэлемента, выражающие зависимость

нелинейны. При увеличении напряжения фототок сначала растет быстро, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается (режим насыщения).

У вольт-амперных характеристик. (рис. 18-6) ионных фотоэлементов при увеличении анодного напряжения после горизонтального участка, кривая поднимается вследствие ионизации.

Рис. 18-5. Вольт-амперные характеристики электронного фотоэлемента.

Рис. 18-6. Вольт-амперные характеристики ионного фотоэлемента.

Одним из свойств фотоэлементов является их утомляемость, т. е. изменение параметров в зависимости от времени эксплуатации.

Вследствие малой величины фототока, который можно получить от фотоэлемента (порядка нескольких микроампер), они обычно применяются совместно с ламповыми или полупроводниковыми усилителями.

Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, телевидения, звукового кино, измерительной техники и т. д.

Простейшие схемы применения фотоэлементов рассмотрены в § 18-4.

Фотоэлектронный умножитель это фотоэлемент с внешним фотоэффектом, фототок которого усиливается за счет вторичной электронной эмиссии,

В стеклянном баллоне (рис. 18-7), кроме катода К и анода А, расположен ряд вторичных катодов—эмиттеров и т. д., поверхность которых покрыта эмиссионным составом. Каждый следующий друг за другом катод имеет потенциал примерно на 100 В выше предыдущего. Каждый вторичный катод — эмиттер излучает вторичных электронов больше первичных электронов, его бомбардирующих.

Рис. 18-7. Схема фотоэлектронного умножителя и его обозначение.

Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии имеющим значение 3—4. Таким образом, выходной ток фотоэлектронного умножителя с вторичными катодами будет но максимальный выходной ток фотоэлектронного умножителя не превышает десятков миллиампер.

Чувствительность фотоэлектронного умножителя достигает Фотоэлектронные умножители применяются для измерения малых световых потоков примерно до

Отечественная промышленность выпускает фотоэлектронные умножители с различным числом ступеней (ФЭУ-1 — ФЭУ-19).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector