Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэлементом

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом, вакуумный или газонаполненный, - прибор, выполненный в виде стеклянного баллона. Основными элементами прибора являются фотокатод и коллектор электронов (анод). Фоточувствительный слой наносится либо непосредственно на стеклянный баллон, либо на металлический слой (подложку), предварительно нанесенный на стекло, или металлическую пластинку, вмонтированную внутри баллона. Общий вид фотоэлементов с внешним фотоэффектом приведен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Типы фотоэлементов

В вакуумных фотоэлементах воздух откачивается до давления 10^-4 – 10^-5 Па, газонаполненные фотоэлементы после откачки заполняются инертным газом до давления ~ 1 Па.

Величина тока, возникающего в цепи фотоэлемента, зависит от свойств светочувствительного слоя, приложенного напряжения, интенсивности падающего света, конструкции прибора. Все эти зависимости отражены в основных характеристиках фотоэлементов.

Вольт-амперная характеристика – зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе при постоянном световом потоке. На рисунке 1.4 приведены две вольт-амперные характеристики для вакуумного фотоэлемента, освещаемого светом одинакового спектрального состава, но разной интенсивности (световой поток на единицу *** фотоэлемента).

Рисунок 1.4. Вольт-амперные характеристики вакуумного

фотоэлемента при разных освещенностях

При некотором ускоряющем напряжении фототок достигает насыщения. Его величина зависит от интенсивности падающего светового потока. Если фототок измерять прибором высокой чувствительности, то можно обнаружить, что фототок не равен нулю при напряжении, равном нулю. При изменении знака потенциала на электродах, то есть создании тормозящего фотоэлектроны поля, с увеличением напряжения фототок уменьшается и становится равным нулю при некотором напряжении U₃, которое называют задерживающим потенциалом. Постепенное уменьшение тока при увеличении тормозящего поля обусловлено тем, что электроны из катода вылетают с разными скоростями. Сначала задерживаются электроны с меньшими скоростями, а по мере увеличения напряжения с большими и,наконец, при напряжении U_з задерживаются электроны с максимальной скоростью. Следовательно, по величине задерживающего потенциала можно определить максимальную скорость фотоэлектронов:

. (1.7)

С учетом этого уравнение Эйнштейна примет вид:

. (1.8)

Исследовав зависимость задерживающего потенциала от частоты падающего на фотоэлемент света, можно проверить основной закон фотоэффекта – закон Эйнштейна. График зависимости задерживающего потенциала от частоты представляет собой прямую, тангенс угла наклона которой равен постоянной Планка h, деленной на заряд электрона.

Рисунок 1.5. Зависимость задерживающего потенциала

от частоты света

Точка пересечения графика с осью частот определяет красную границу фотоэффекта ν₀. Точка пересечения продолжения графика с осью напряжения определит отношение работы выхода электрона к заряду электрона.

Вольт– амперная характеристика газонаполненного фотоэлемента имеет иной вид. На рисунке 1.6 приведены вольт– амперные характеристики для одного и того же фотоэлемента до заполнения газом (кривая 1) и после (кривая 2).

Рисунок 1.6. Вольт-амперная характеристика

газонаполненного фотоэлемента (кривая 2)

В газонаполненном фотоэлементе в отличие от вакуумного ток никогда не достигает насыщения. При напряжениях, меньших потенциала ионизации атомов газа, электроны испытывают упругие столкновения с атомами газа, при которых изменяется только направление импульса электронов. Некоторые электроны возвращаются на катод, преодолев задерживающее поле. Поэтому вначале ток в фотоэлементе после заполнения газом оказывается меньшим, чем без газа. По мере увеличения напряжения увеличивается энергия электронов, и они оказываются в состоянии вызывать ионизацию атомов газа, ток начинает расти быстрее. Возникает несамостоятельный газовый разряд. При больших напряжениях несамостоятельный газовый разряд может перейти в самостоятельный.

Световая характеристика – зависимость фототока I_ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении на фотоэлементе U и неизменном спектральном составе света. Световая характеристика вакуумного фотоэлемента снимается при напряжении, соответствующем току насыщения, газонаполненного – при напряжениях, меньших потенциала зажигания самостоятельного разряда. Согласно закона Столетова эта зависимость должна быть линейной.

, (1.9)

где I_т – темновой ток (Ф=0),

γ – чувствительность фотоэлемента.

В реальных фотоэлементах она может быть искажена за счет различных побочных явлений.

Спектральная характеристика – зависимость фототока I от частоты света ν при постоянной интенсивности светового потока и постоянном напряжении на фотоэлементе. Спектральная характеристика снимается при тех же напряжениях, что и световая характеристика. По мере увеличения частоты от красной границы ν₀ до частоты соответствующей максимальному квантовому выходу ν_max, у фотоэлементов с внешним фотоэффектом число фотоэлектронов растет, так как в фотоэффекте начинают участвовать электроны, имеющие малые энергии в металле (растет квантовый выход). При частотах, больших ν_max, фототок уменьшается, так как увеличивается отражение света. Но для большинства металлов ν_max очень велики и лишь для щелочных металлов и сложных катодов ν_max лежат в видимой или близкой ультрафиолетовой области спектра.

Интегральная чувствительность фотоэлемента определяется величиной фототока насыщения, возникающего при освещении единичным световым потоком, при этом используется свет с определенным составом от стандартного источника света (100 – ваттная вакуумная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, нагретой до температуры 2850 К):

, (1.10)

где I_ф – фототок; Ф – световой поток.

Спектральная чувствительность фотоэлемента определяется величиной фототока насыщения, вызванного единичным световым потоком монохроматического излучения:

. (1.11)