> Техника, страница 90 > Фотоэлементы

Фотоэлементы

Фотоэлементы, приборы, позволяющие превращать лучистую энергию в электрическую. Все виды Ф. основаны на способности света передавать свою энергию электронам; при этом электроны, находящиеся в освещаемом теле, могут или изменить его электропроводность или выйти за пределы поверхности, ограничивающей тело. Потеря отрицательного заряда проводником при освещении его ультрафиолетовым светом была обнаружена впервые Герцом в 1887 г. Это явление послужило основанием для создания Ф. с внешним фотоэффектом (смотрите Фотоэлектричество). В целом ряде веществ изменение электропроводности под действием света, получившее название внутреннего фотоэффекта, оказалось настолько значительным, что его также можно было использовать для создания Ф. В последнее время удалось построить Ф., основанные на перемещении электронов“ под действием света через границу двух соприкасающихся тел; эти Ф. пbлучили название Ф. с запирающим слоем, в силу того что чувствительный к свету пограничный слой между двумя вещест-

вами обладает еще способностью выпрямлять переменный ток. Ф. с запирающим слоем называются также вентильными, или твердыми, Ф. Первый опыт, к-рый послужил к созданию фотоэлемента вообще, был произведен за границей Гальваксом в 1888 г., а у нас проф. Столетовым.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. При внешнем фотоэффекте движение электрона, вырванного квантом света частоты V из поверхности металла, подчиняется данному Эйнштейном ур-ию, выражающему закон сохранения энергии,

imv² — hv — P, (1)

где т—масса электрона, v—его скорость после выхода из поверхности металла и Р−работа, затраченная на вырывание электрона. Положив в ур-ии (1) скорость фотоэлектрона равной нулю, получим hv — P; отсюда

v_Q или соответствующая длина волны называется порогом фотоэффекта, т. к. фотоэффект наблюдается только при v > v₀ или λ<λ₀. Заменяя в ур-ии (1) Р через hv₀ и V₂ mv² через eV, где е — заряд электрона, а V—разность потенциалов, пройдя которую электрон обладает кинетич. энергией -γ->

ка при различных напряжениях между К и А> можно получить зависимость фототока от напряжения V, выраженную кривой на фигуре 3. Эта кривая, называемая вольтамперной характеристикой вакуумного фотоэлемента, может быть выражена ф-лой:

где к я а определяются свойствами катода, размерами, формой и расположением электродов. В вакуумном Ф., когда разность потенциалов, приложенная к его электродам, достаточно велика, т. ч. для наибольшего светового потока, которым располагают при измерениях, получается ток насыщения, фототок прямо пропорционален величине светового потока, падающего на поверхность катода:

i=lcJ,

где J—световой поток и к—коэф. пропорциональности. Величина к, так же как v₀, определяется материалом катода и методикой его изготовления. В качестве материала для катодов применяются гл. обр. щелочные металлы Na, К, Rb и Cs, т. к. только они имеют заметную чувствительность в видимой части спектра. Пороги фотоэффекта для щелочных и некоторых других металлов, употребляющихся для изготовления Ф., следующие:

Na	К	Rb	Cs	Mg	Са	Ba	Cd	AI i
6 800	10 000	10 300	14 000	3 300	I 4 000 J 5 600		3 200	3 340

Вещество. Li

λ₀ в А.⁵ 260

уравнение (1) можно написать в виде:

eV =hv— hv₀.

следующем

(Ю

Ф., основанный на данном принципе, осуществляется следующим образом. Металлич. пластинка К и металлич. сетка А, расположенные, как ука-

Применяя соответствующую обработку поверхностей щелочных металлов, удается значительно повысить их чувствительность; поэтому в настоящее время для технич. целей используются исключительно Ф. с сенсибилизированными катодами. Одним из первых методов сенсибилизации, получившим практич. применение, была обработка калия водородом. В существенных чертах метод изготовления Ф. с калиевым катодом и обработка его водородом заключаются в следующем. Заготовка Ф., представляющая собой посеребренную с внутренней стороны сферич. стеклянную колбу с двумя впаянными в нее электродами К и А (фигура4) и трубкой В, содержащей ампулку т с проди-стиллированным под вакуумом металлич. калием, присоединяется посредством трубки С к высоковакуумному насосу, дающему разрежение 10~⁶мм Hg. Откачав воздух из заготовки, ее прогревают в печи при 400° в течение -*30 мин. для удаления сорбированного газа из стенок колбы. В этом случае печь, указанная на фигуре 4

зано на фигуре 1, помещаются в баллон, из которого выкачивают воздух. Соединяя К и А с чувствительным гальванометром G и освещая пластинку К светом, содержащим в своем составе частоты v > v₀ для данного материала пластинки, при достаточной интенсивности света можно наблюдать отклонение стрелки гальванометра. Если не принимать во внимание контактную разность потенциалов, можно считать, что происхождение тока обязано, как следует из уравнения (1), исключительно начальным скоростям фотоэлектронов. Т. о. разобранный случай дает возможность превращать световую энергию в электрическую. Однако кпд такого прибора весьма мал. Если же К я А через потенциометр Р соединить е источником эдс (фигура 2) и, освещая пластинку К постоянным светом, измерить величины то

пунктиром, ставится в положение I, при к-ром ампулка с калием находится вне печи. После обезгаживания печь передвигают в положение II и, нагревая ее до той же t°, производят перегонку калия из трубки В в колбу. Калий, оседающий на непосеребренную часть поверхности баллона, предназначенную для пропускания света в Ф., сгоняется с нее пламенем газовой горелки. На фигуре 4 эта часть О поверхности,.

называемая «окном» Ф., не заштрихована. Когда на серебряной подкладке, в данном случае играющей роль контактной поверхности для калиевой пленки, образуется ровный слой калия толщиною ~0,1 миллиметров, дистилляцию калия прекращают, печь снимают, трубочку В отпаивают и в Ф. впускают водород. Давление водорода устанавливается ок. 1 миллиметров Hg. Присоединяя отрицательный электрод источника постоянного тока к калиевому слою К, а положительный—к аноду А (фигура 4), к-рый обычно имеет вид кольца или сетки, производят кратковременный (в течение 5—10 ск.) тлеющий разряд в водороде и затем измеряют чувствительность Ф. Кратковременные разряды повторяют до тех пор, пока чувствительность катода не достигнет максимальной величины. В конце процесса обработки водородом блестящая металлич. поверхность калия становится синей (или иногда зеленой). После обработки водород откачивают и Ф. отпаивают. Позднее было найдено, что кислород, сера, селен, теллур и ряд других веществ, приведенных в соприкосновение с поверхностью щелочного металла, производят большее увеличение чувствительности катода по сравнению с водородом. Максимум чувствительности катода обычно наступает при поглощении поверхностью катода ок. 50х1(П⁸ г сенсибилизирующего вещества.

Сенсибилизация производится след, образом. После получения описанным методом слоя щелочного металла сенсибилизирующее вещество из трубочки, припаянной к Ф., перегоняют маленькими дозами на поверхность катода Ф., находящегося под непрерывной откачкой на вакуумном насосе и включенного в измерительную схему, позволяющую следить за ростом чувствительности катода. Когда достигается максимум чувствительности, перегонку сенсибилизирующего вещества прекращают и Ф. отпаивают. Сенсибилизация обычно изменяет отношение чувствительности щелочного металла к монохроматическому свету данных длин волн. Получение монохроматич. света производится или при помощи фильтров, выделяющих из белого света составляющие его цвета, или, лучше, при помощи монохроматора, схематич. устройство которого приведено на фигуре 5. Свет от яркого источника S попадает через узкую щель #₂ в трубу Z_l9 из которой параллельным" пучком лучей он падает на преломляющую призму Р. Разложенный пучок света по выходе из призмы попадает во вторую тру- l,

бу L₂, которая оканчива- ^s*-[— · (

ется щелью q ₂, вырезаю- 9.

щей определенный участок спектра. Монохроматор обычно снабжается проградуированным на длины волн барабаном. Вращение этого барабана при помощи соответствующего устройства передвигает призму Р, что qP-позволяет непрерывно изменять длину _{фиг 5>}волны света, выходящего из щели q₂.

Измерив термоэлементом для различных длин волн энергию света, выходящего из монохроматора, можно определить спектральную характеристику Ф. Спектральные характеристики водородно-калиевого К—Н, серно-калиевого К—S и серно-натриевого Na — S катодов приведены на фигуре 6 и 7. По горизонтальным осям характеристик отложены длины волн в А, а по вертикальным—фототок в относительных единицах. Как видно, все характеристики имеют максимум, называемый «селективным максимумом».

По современным представлениям катод из щелочного металла, обработанный тем или другим сенсибилизирующим веществом, имеет следующее строение. Поверхность щелочного металла покрыта продуктом реакции его с сенсибилизирующим веществом. Эти продукты реакции (например в случае сенсибилизации кислородом—окисел щелочного металла) покрыты сверху тонкой пленкой этого металла. Исследова-100

80

	1
				1

3500 4500 5500 6560 75007 Фигура 6.

	т
	г	S
V	ii
		Λα-s
		ч

3500

4500 5500 тонн Фигура 7.

ния фотоэффекта тонких металлич. пленок показали, что при толщине пленки в несколько» молекулярных слоев фотоэффект больше, чем у толстого слоя и при определенной толщине пленки наблюдается максимум чувствительности. Далее, интегральная чувствительность к белому свету и вид спектральной характеристики зависят от природы подкладки, на которой расположена тонкая пленка щелочного металла. Из сказанного становятся ясными причины _>

80

60

40

20

К-К₂1-Лд

с		J	/"	X
1.		L
J		д	-А	0-А
						К
							ч

Фигура 8.

Фигура 9.

вызывающие изменение фотоэффекта щелочного металла.при описанных методах сенсибилизации. Однако эти методы не дают возможности изменять толщину поверхностной пленки и· следовательно достигать максимальной чувствительности катода на данной подкладке. Позднее был найден метод, в к ром удалось варьировать толщину пленки, и этим самым чувствительность Ф. была значительно повышена. Процесс изготовления таким методом цезиевых катодов, получивших широкое применение, заключается в следующем. Посеребренную поверхность колбы Ф. окисляют разрядом в кислороде до тех пор, пока не получится слой окисла в 200—300 молекул толщиною. На окисленную поверхность серебра дистиллируется^ цезий. Последний, вступая в реакцию с окислом серебра, образует окись цезия, которая впоследствии покрывается пленкой этого металла. При такой структуре катода щелочной металл находится только в поверхностной пленке, что“ позволяет путем нагревания Ф. в печи с t° ~200° уменьшить толщину этой пленки до желаемого предела, не разрушая“остальной части катода. Заменяя в описанном процессе цезий другим щелочным металлом, можно изготовить так называемые тонкопленочные катоды с различными щелочными металлами. Спектральные характеристики тонкопленочных катодов К— К₂0—Ag и Cs — Cs₂0—Ag приведены на фигуре 8 и 9, а интегральная чувствительность, при f источника света 2 800° абс. следующая:·

Ечатод.	К—Н	К—S	Na—S	K-K20-Ag	Rb—Rb20—Ag	Cs—Cs20—Ag
Пределы чувствительности в μΑ на 1т.	1—1,5	3—6	2—5	5—7	8—15	15—60

Газонаполненные Ф. Для увеличения тока в Ф. его наполняют инертным газом—аргоном, неоном или гелием. В газонаполненном Ф. .электроны, вышедшие с поверхности катода, сталкиваясь с молекулами газа, ионизуют их, «что приводит к увеличению числа носителей электричества в Ф. и следовательно к возрастанию тока. Отношение всего тока г через газонаполненный Ф. к току с поверхности катода называется коэфициентом усиления к=i-. Коэф. усиления зависит от давления и природы газа, от размеров и формы электродов, от разности потенциалов на Ф. и наконец ют свойств катода. Зависимость коэф-та усиления от разности потенциалов на электродах приведена на фигуре 10 для сферич. Ф. с кольцевым анодом и наполненного аргоном до миллиметров Hg. В точке Z, где кончается характеристика, наступает самостоятельный разряд газа, при к-ром ток в неосвещенном Ф. не падает до нуля. Следовательно максимальное рабочее напряжение V на газонаполненном Ф. должно быть меньше потенциала V_z — начала самостоятельного разряда. Чем ближе потенциал V к потенциалу V_z, тем больше коэф. усиления, однако тем неустойчивее становится работа Ф., поэтому практически V_z — V=d должен быть не менее 5 V, а в большинстве случаев 20—50 V. Из приведенных на фигуре 11 характеристик коэф-тов усилений, снятых при различных давлениях р газа в Ф., вытекает, что в данной области давлений с уменьшением давления максимальный коэф. усиления, соответствующий окончаниям приведенных кривых, увеличивается. При этом один и тот же коэфициент усиления с уменьшением давления лее высоком на

Q_		p-~0.0t	2мм Hg-	J
	P--0.0	Vмм—		1
p·W7.	0=0.034 Щ	Mfj 1

40 80 120 160 200 V

Фигура 10.

too

500 V

200 300

Фигура И.

пряжении на Ф. и находится в более пологой части характеристики; последнее иногда бывает выгодно в применениях Ф. Все характеристики были сняты при постоянном и одинаковом токе с поверхности катода г₀=1,3-Ю“⁷ А. При изменении фотоэлектрич. тока с поверхности катода характеристики смещаются параллельно самим себе, а точка начала самостоятельного разряда перемещается в сторону уменьшения потенциала по некоторой кривой, форма которой зависит от геометрии, параметров Ф. и давления газа в нем. Следовательно работа Ф. при потенциалах, близких к V_z, сопряжена с возможностью появления тока самостоятельного разряда и с изменением коэф-та усиления, нарушающим пропорциональность между фото-• током и освещением. Характеристики газона полненных К—S и Cs— Cs₂0—Ag фотоэлементов Всесоюзного электротех-нич. ин-та (ВЭИ) приведены на фигуре 12. В различных областях применения Ф. большой интерес представляет время, в течение которого устанавливается величина фототока, соответствующая данному освещению. В вакуумных Ф. после включения освещения фототок устанавливается практически мгновенно, поэтому эти Ф. не обладают инерцией. В газонаполненных Ф. инерция появляется уже при звуковой частоте, что выражается в уменьшении амплитуды

100 150 200

Фигура 12.

300 V

фототока a_v, соответствующего одной и той же силе света, при увеличении частоты модуляции V светового потока. В качестве прерывателя светового потока при измерении инерции обычно используется круглый диск, насаженный на одну ось с мотором. По внешней окружности диска проделывают круглые отверстия так, чтобы диаметр отверстия равнялся расстоянию между

отверстиями. В этом случае при вращении диска возрастание и убывание светового потока происходят по закону, близкому к закону гармонии, колебания, и следовательно гармоники переменного фототока, возникающего в цепи Ф., будут малы. Схема включения Ф. при измерениях инерции дана на фигуре 13, где Ф — фотоэлемент, V— вольтметр, показывающий постоянное напряжение на Ф., Е— батарея аккумуляторов, С—шунтирующая переменный ток емкость и W — катодный вольтметр, служащий для определения амплитуды переменного напряжения, возникающего на сопротивлении .Йпри освещении Ф. прерывистым светом. Исследования инерции Ф. привели к заключению, что инерция увеличивается с увеличением напряжения на Ф. и с увеличением давления газа в нем. Приведенные на фигуре 14 характеристики инерции, снятые при разностях потенциалов на Ф., которые были ниже потенциалов появления тока самостоятельного разряда на одинаковое число V, показывают еще, что инерция зависит от природы газа, наполняющего Ф. Давление газа р для каждой характеристики указано на фигуре 14. Пунктирные кривые относятся к неону, спло-

Фиг.

шные—к аргону. По горизонтальной оси характеристик отложены частоты v прерывания светового потока, а по вертикальной ^а~^{125 ttv},

^α1125

где α₁₁₂₅ и α_ν—амплитуды переменного фототока при частоте 1 125 Hz и при более высокой частоте v. В аргоне по сравнению с другими газами инерция оказалась наименьшей. Последние исследования инерции указывают на зависимость ее от природы катода, например у Ф. с цезиевыми катодами она больше, чем с калиевыми. Вследствие строгой пропорциональности между фототоком и освещением и относительно небольшой инерции Ф. с внешним фотоэффектом нашли широкое применение в кино звуковом (смотрите) и телевидении (смотрите).

Ф. с внутренним фотоэффектом (селеновые и таллофидные). Эти Ф. представляют собой полупроводник, электропроводность которого меняется под действием света. По представлениям Гуддена и Поля изменение электропроводности полупроводника происходит вследствие освобождения квантами света электронов в полупроводнике. Увеличение тока, происходящее за счет электронов, освобожденных светом, называется первичным током. Первичный ток разделяется на две части: «отрицательный первичный» ток и «положительный первичный» ток. Электроны, освобожденные светом и уходящие к аноду, образуют отрицательный ток. Происходящая при этом потеря электронов полупроводником приводит к образованию положительного пространственного заряда в нем. Электронный ток, идущий с катода и нейтрализующий положительный пространственный заряд, представляет положительный первичный ток. Первичный ток пропорционален интенсивности освещения полупроводника и изменяется с изменением освещения без инерции. Перемещение по полупроводнику электронов первичного фототока "вызывает в свою очередь изменение его электропроводности. Получающийся по этой причине прирост тока называется вторичным током. Образование вторичного тока происходит аналогично образованию электронной лавины при разряде в газе, то есть вследствие освобождения электронов в полупроводнике толчками электронов первичного тока. Ясно, что вторичный ток быстро растет с увеличением разности потенциалов, приложенной к полупроводнику. С вторичным током связаны неприятные последствия, обесценивающие Ф. с внутренним фотоэффектом, а именно непостоянство чувствительности, отклонение от прямолинейной зависимости фототока и интенсивности освещения и наконец возникновение большой инерции.

Наиболее распространенными Ф. с внутренним фотоэффектом являются селеновые и таллофидные. В первых в качестве полупроводника используется кристаллич. или металлич. модификация селена, получаемая из аморфного селена путем длительного прогрева его при t° 200—210°. В конструктивном отношении все виды данных Ф. весьма сходны. При изготовлении их стремятся к тому, чтобы светочувствительный слой селена был возможно тоньше и промежуток между электродами, заполненный селеном,—возможно меньше. На фигуре 15 приведен схематич. вид одного из селеновых Ф. Этот Ф. состоит из стеклянной пластинки а с нанесенными на ней двумя электродами b и с

Т. Э. m. XXV.

Фигура 15.

в виде гребенок. Электроды обычно изготовляются из золота, платины или графита. Селен d наносится на них испарением или катодным распылением и прогревается при t°^ 200° до наступления максимума чувствительности Ф. Сопротивление селеновых Ф. в темноте бывает порядка 10⁵—5-10⁷ Ω и зависит от Г и времени прогрева. Чем выше t° и больше время прогрева, тем обычно меньше сопротивление Ф. В тал-лофидных Ф. в качестве полупроводника используется смесь соединений таллия с серой и кислородом. Исходные материалы должны быть тщательно очищены.

Очистка таллия производится следующим образом.

Гранулированный таллий, содержащий ок. 5% примесей, растворяется в кипящей разбавленной серной к-те. При выпаривании и охлаждении раствора выпадает сернокислый таллий. После очищения сульфата тройной перекристаллизацией его растворяют в воде. Из этого раствора электролизом получается губчатый таллий. Плотность то-ка при электролизе 0,9 А. Положительный платиновый электрод помещается в пористый цилиндр, к-рый частично погружается в раствор сульфата таллия, где находится отрицательный электрод, тоже платиновый. Очищенный таллий переводят в гидроокись таллия, которая затем чистым сероводородом переводится в сульфид таллия. Последний тщательно высушивается в элек^ трич. печи при 80° до тех пор, пока его темный цвет не перейдет в серый (стальной) цвет, что указывает на наступление окисления. В этом состоянии таллофидная масса является наиболее чувствительной. При изготовлении Ф. полученный данным способом таллофидный порошок напыляется на предварительно нагретую до 400—500° кварцевую пластинку с нанесенными на ней графитовыми электродами, имеющими вид, аналогичный электродам у селеновых Ф. Затем эти пластинки быстро охлаждаются и запаиваются в колбы, из которых удаляется воздух, что делается для предохранения светочувствительного слоя от разрушения. Сопротивление таллофидных Ф. в темноте порядка 5· 10³—500-10⁶ Ω. Чувствительность Ф. с внутренним фотоэффектом определяется или по изменению сопротивления или по величине фототока, вычисляемого из выражения ¹

^^Е(щ-к)-^Ла··

в к-ром Е—напряжение на Ф., R_a—сопротивление его при осве

(?)

Lit

		J		г
				——	У
	У
У
50 100 150 гс				0 250 Ш

щении световым потоком a, R₀—сопротивление в темноте- и А—коэф. пропорциональности. На фигуре 16 приведены статич. характеристики для двух Ф., где по горизонтальной оси отло-

Фигура 16.

вертикальной ~

селеновому Ф. со светочувствительной света в люксах, а по Кривая I относится к поверхностью 13x50 миллиметров, кривая II—к талло-фидному Ф. со светочувствительной поверхностью "12x18 миллиметров. Из приведенных харак-

10

теристик вытекает, что для таллофидных Ф. показатель степени а в равенстве (2) близок к единице, то есть фототок почти пропорционален интенсивности освещения, в то время как для селенового Ф. он значительно отклоняется от этого закона и в большинстве случаев х=~.

Сопротивление в темноте R_Q зависит от t° Ф., наложенного напряжения и от предварительного освещения, которому были подвергнуты Ф.; действие света, повышение t° и увеличение напряжения обычно уменьшают их темновое сопротивление До“ Чувствительность таллофидных и селеновых Ф. к различным участкам спектра характеризуют кривые, приведенные на фигуре 17. Кривая I относится к тонкослойному селеновому Ф., II—к обычному селеновому Ф., III—к селеновому тонкослойному Ф. с примесью 14% теллура и наконец IV—к таллофид-ному Ф. Существенным недостатком селеновых и таллофидных Ф. является инерция, появляющаяся уже при низких частотах модуляции светового потока. На фигуре 18 и 19 приведены частотные характеристики таллофидного Ф. фирмы «Осрам» и одной из последних конструкций селенового Ф. Ординатами этих характеристик являются амплитуды a_v переменного фототока, соответствующие различным частотам прерывания одного и того же светового

Ί ТГ V ( Г i	v.-·· «»			п
1 i I i 1 i I i		,_и
1		i
	1S	ш	!У
			Λ

то moo (зооо woo 4 Фигура 17.

10 100 1000HZ

Частота v

Фигура 18.

Фигура 19.

потока, падающего на Ф. Несмотря на инерцию и непостоянство чувствительности описанные фотоэлементы вследствие большой чувствительности к инфракрасным лучам находят широкое применение.

Ф. с запирающим слоем впервые был открыт в 1916 году Пфундом. Он состоял из мед-н >й пластинки Си, покрытой закисью меди Си₂0. Слой закиси меди на пластинке получается нагреванием ее в печи с t° в 1 050° и последующим охлаждением в _cg_emкипящей воде. Схема включения этого куп-роксного Ф. приведена на фигуре 20, где G—гальванометр, А — плотно прижатая проволочная с пирал ька, служащая контактом с закисью меди. Свет, падающий на фигуре 2о. поверхность закиси меди (указано на фигуре 20 стрелками) без постороннего источника эдс, вызывает в цепи ток, к-рый в большом диапазоне освещенностей пропорционален силе света. Вызываемое светом движение электронов в этом Ф. начинается на границе запирающего слоя,

куда свет проникает через пленку закиси меди. Пройдя запирающийс л ой, электроны могут возвращаться в первоначальное положение двумя путями: во-первых, обратно через запирающий слой и, во-вторых, через гальванометр G. Отсюда следует, что силы токов, идущих по этим двум направлениям, зависят от величины их сопротивлений; поэтому в данном случае при измерении фототока выгодно пользоваться гальванометром с малым сопротивлением. Все Ф. рассматриваемого вида обычно обладают детекторными свойствами. Направление выпрямленного тока в них противоположно направлению фототока, то есть фотоэлектроны движутся от закиси меди к меди, а при выпрямлении переменного тока преимущественное движение электронов будет совершаться от меди к закиси меди. Эквивалентная схема (фигура 21) выражает элек-трич. свойства описанных Ф. На схеме Ф—

вакуумный Ф., А—его анод, К—катод, г— сопротивление закиси меди, называемое «путь-евым» сопротивлением, R—сопротивление внешней цепи. В случае освещения прерывистым светом данная схема дополняется еще емкостью С. В этой схеме возникающий на аноде Ф., вследствие перемещения электронов под действием света, отрицательный заряд стекает частью через детектор В, а частью через внешнюю цепь. Возникновение отрицательного заряда на аноде связано с появлением на электродах Ф. тормозящей фототок разности потенциалов. При освещении Ф. монохроматич. светом частоты v согласно ур-ию Эйнштейна эта разность потенциалов не может превышать величины V_max=—f— j прекращающей дальнейший переход электронов с катода на анод. В данном выражении Р представляет работу, которая затрачивается на передвижение электрона через запирающий слой. Отсюда вытекает, что при больших интенсивностях света, когда напряжение V на разомкнутом Ф. становится близким к V_max, ток короткого замыкания через гальванометр и напряжение V не будут возрастать в прямой пропорции с увеличением силы света. В действительности же отклонение от пропорциональности между силою света и напряжением V на разомкнутом Ф. появляется значительно раньше, когда еще фототок короткого замыкания сохраняет линейную зависимость от силы света. Последнее объясняется изменением сопротивления запирающего слоя при увеличении силы света, падающего на Ф. На фигуре 22 приведены характеристики зависимости фототока I и напряжения II от интенсивности освещения для купроксного Ф. Кроме описанного купроксного Ф., т. н. «тылового», изготовляются еще Ф. «лицевые», обладающие большей чувствительностью вследствие меньшей потери света по пути к.запирающему слою. Они представляют собой также медную пластинку с наращенным слоем закиси меди, к-рый катодным распылением или восстановлением закиси меди покрывается тонкой медной, золотой или платиновой пленкой. В данном случае активный к свету слой находится непосредственно под этой пленкой, поглощающей значительно меньше света, чем слой закиси меди, к-рый приходится проходить свету в тыловых Ф. Кроме купроксных Ф. получили ши-

	!
				/л^	__
1
У 1
1 L _		и:

Фигура 23.

Фигура 24.

рокое применение селеновые лицевые Ф. с запирающим слоем. Селеновые Ф. приготовляются след. обр. На железную пластинку испарением в вакууме наносится слой селена, который сверху катодным распылением покрывается тонкой пленкой платины. Селеновые Ф. имеют интегральную чувствительность 100—500 μΑ на 1 1т; у купроксных она несколько меньше: 50—200 μΑ на 1 1т. Спектральные характеристики I (лицевого) и II (тылового) купроксных Ф. приведены на фигуре 23, а селенового—на фигура 24. По своей природе фотоэлементы с запирающим слоем без-инерционны аналогично вакуумным Ф. Однако вследствие большой собственной емкости инерция их уже обнаруживается при звуковых частотах. На фигуре 25 приведены характеристики инерции лицевого куп-роксного Ф.—кривая! и селенового—кривая II. Вследствие малой эдс и малого внутреннего сопротивления у Ф. с запирающим слоем 500—

I 000 Ω они значительно уступают другим видам Ф. при использовании их в усилительных схемах, поэтому в настоящее время они применяются гл. обр. для измерительных целей.

Существуют еще электролитические Ф., обладающие электрич. свойствами, подобными Ф. с запирающим слоем.

Электролитич. Ф. можно осуществить, погрузив медную пластинку, покрытую закисью меди так же, как и в купроксных Ф., в электролит,например в ИаОН.При освещении через электролит закиси меди на электродах, присоединенных к меди и электролиту, аналогично Ф. с запирающим слоем, возникает эдс. Чувствительность последних Ф. достигает 500 μΑ на 1 1т.

Лит.: Тимофеев и Налимов, «Журнал технической физики», Л., 1933, т. 3, стр. 602; Тимофеев и Хлебник о.в, «Вестник электротехники», М., 1931, 11-12, стр. 464; Отчет о конференции по твердым выпрямителям и фотоэлементам, «Журнал технической физики», Л., 1931, т. 1, вын. 7; На следов Д. и

II ем е г о в Л., Твердые выпрямители и фотоэлементы,

М.—Л., 1933; Simon Н. u. Suhrman R., Lichtelek-trische Zellen und ihre Anwendung, B., 1932; Fleischer R. u. Teichman H., Die Lichtelektrische Zelle und ihre Herstellung, Dresden u. Lpz., 19 32; H у g-h e s A. L. and Bridge D., Photoelectric Phenomena, X. Y., 1932. П. Тимофеев.

Технические применения Φ· Кроме основных применений Ф. в телевидении (смотрите), кино звуко вом (смотрите) и фототелеграфии (смотрите) Ф. находят применение в следующих областях: контроль и управление различными производственными процессами, автоматич. сигнальные устройства, управление движущимися механизмами, измерительные процессы и др. Для большинства практич. применений Ф. используется как источник, создающий под действием падающего на него света электрич. сигналы, усиливаемые электронной лампой и приводящие в действие электромагнитное реле. В настоящее время соединение Ф. с электронной лампой и электромаг- нитным реле объединяется в особом приборе, называемом фотоэлектронным реле. В этом устройстве Ф. помещается в особом метал лич. чехле, имеющем окно, через к-рое производится его освещение. Чехол Ф. соединяется гибким шнуром в металлической оплетке с усилительной лампой и электромагнитным реле, находящимся в особом ящике. Конструкция прибора дает возможность располагать Ф. в любом положении вблизи пункта, освещенность которого контролируется. Ф. присоединяется к точкам а и b цепи электронной лампы (фигура 26); анодный ток лампы проходит через обмотку электромагнитного реле R и, увеличиваясь под действием фотосигналов, действующих на сетку лампы, притягивает якорь реле и замыкает контакт 2. Внешняя цепь, на которую работает, реле, присоединяется к контактам 3 и 4. Фотоэлектронное реле снабжено контрольной лампой накаливания (между 1—5), которая указывает правильность работы. Полное питание фотоэлектронного реле осуществляется переменным током через автотрансформатор Т. В случае необходимости фотоэлектронное реле может действовать от постоянного тока. В цепи сетки лампы включается переменный конденсатор, служащий для подбора лучшего режима работы Ф. Фотоэлектронное реле действует при изменении освещенности Ф. в пределах 40—50%.

1 2 3		4 5 > ΟΧ
А<	Я ь
тх		X
Ϊ—		А
-<ЩКг57л	лдЖл/wb

Фигура 26.

при общей интенсивности освещения порядка 3 метросвечей. В производственных процессах фотоэлектронные реле находят практич. применение в следующих случаях.

Сортировочные устройства. При массовом производстве предметов, различающихся по цвету, осуществляется автоматич. сортировка предметов по группам, обладающим одним цветом. Примером является сортировка сигар. Сортировочное устройство (фигура 27) состоит из источника света L и фотоэлектронного устройства Р, в к-ром вместо обычного реле включено гальванометрич. реле G, имеющее 30 контактов. Под влиянием фотосигналов галь-ванометрическое реле замыкает цепь различных

ПО

селекторов“ί, 2, 3,., которые заставляют поступающие непрерывным потоком сигары С распределяться в зависимости от их цвета по различным ящикам. Такой же способ находит применение для автоматич. сортировки карандашей на соответствующих фабриках.

Контроль цвета производственной массы. При составлении красок на красильных ф-ках или окрашенных пластич. масс для различных изделий получение совпадающей окраски при повторном составлении массы точно контролируется Ф., соединенным с электронной лампой и гальванометром, при освещении массы источником постоянной силы света. Такой же способ контроля применяется для регистрации нагрева металлич. изделий в закалочных печах.

Регистрация изделий на конвейере. При конвейерном производстве прохождение изделий по конвейеру регистрируется фотоэлектронным реле путем установки источника света, луч от которого проходит в поперечном направлении к конвейеру и освещает Ф. Проходящие детали прерывают освещение Ф. и создают регистрирующие сигналы, приводящие в действие счетчик числа прошедших деталей.

Управление машинами с помощью Ф. имеет применение для контроля автоматов, когда к автоматич. станку, изготовляющему какие-либо мелкие детали (например винты), прекращается подача материала; фотоэлектронное реле размыкает цепь мотора, вращающего станок, или подает звуковой сигнал. Фотоэлектронное реле применяется также на бумажных ф-ках, где в случае обрыва бумажной ленты при помощи фотореле производится автоматич. остановка машины.

Автоматическая регулировка освещения. Ф. применяется в производственных помещениях, в которых должна непрерывно поддерживаться постоянная освещенность. В данном случае применяется фотоэлектронное реле, автоматически включающее искусственное освещение в случаях уменьшения дневного освещения. В нек-рых случаях применяется фотоустановка для непрерывного регистрирования освещенности; устройство состоит из Ф., воздействующего через электронную лампу на самопишущий ^

электрич. прибор, автоматически записывающий кривую изменения освещенности (фигура 28).

Контроль температуры в помещениях или в производственных печах; t°,измеряемая термопарой, отмечается гальванометром, стрелка которого при нормальной t° занимает положение, в к-ром она закрывает отверстие на шкале; через это отверстие падает луч света на Ф. При изменении t° свет попадает на Ф., причем посредством реле включается устройство, приводящее снова к нормальной t°.

Широкое применение Ф. имеют в различных сигнальных устройствах. Фотоэлектронное реле часто применяется в кассовых помещениях, где в обычных условиях установка состоит из лампы, бросающей луч света на Ф., который держит электромагнитное реле в положении разомкнутой сигнальной цепи; в случае какого-либо прерывания освещенности Ф. (прохождение человека между лампой и Ф.) немедленно происходит замыкание сигнальной

Фигура 28.

цепи и подается извещающий сигнал в помещение охраны. Подобного же рода сигнальные устройства применяются для регистрации дыма в туннелях. Применяемые в данном случае фотоэлектронные реле регулируются так, что при небольшом увеличении дыма или пара (5— 10%) в помещении они автоматически включают вентиляционные приспособления. Фотоэле-ктрич. устройства применяются также в качестве сигнальных противопожарных устройств; при появлении дыма или огня в помещении фотоэлектронное реле подает звуковой сигнал.

Ф. находит применение для автоматич. управления маяками в тех случаях, когда маяки установлены в мало доступных местах. Маяк снабжается Ф., связанным через ламповый усилитель и реле со световым и звуковым сигналами (колокол). На Ф. направляется луч света от источника, расположенного на значительном расстоянии. Когда Ф. освещен, цепь сигнального устройства выключена. В случае появления тумана освещенность Ф. падает, и реле автоматически включает сигнальное устройство. Иногда на Ф. направляется прерывистый свет от прожектора, перед которым находится вращающийся перфорированный диск, чем доставляется проблесковое свечение сигнальных огней маяка.

Применение фотоэлементов для различных измерений весьма разнообразно. Практическое значение имеют следующие устройства. Фотометр с объективным отсчетом (фигура 29) состоит из фотоэлемента, включенного в цепь

лампового усилителя. Отсчет освещенности производится по гальванометру. Предварительная градуировка осуществляется по стандартным фильтрам. Фотоэлектрическая делительная машина состоит из точной шкалы, деления которой проходят перед Ф. и создают сигналы, действующие на сетку электронной лампы. Усиленные электрич. сигналы действуют на электромагнитный механизм, к-рый отмечает деления на градуированной шкале. Связывая движение основной и градуируемой шкал при помощи передаточного механизма, осуществляют различное относительное пере мещение шкал, чем достигается возможность градуировки в различном масштабе. Калибровка электрических счетчиков осуществляется путем освещения Ф. прерывистым светом, к-рый получается при вращении зубчатого диска, расположенного между Ф. и источником света. Усиленные сигналы от Ф. воздействуют на неонову лампу, которая создает прерывистое освещение диска счетчика. Если счетчик делает правильное число оборотов, то знак (полоса) на его диске при освещении светом от неоновой лампы кажется наблюдателю неподвижным.

Применение Ф. для непосредственного управления движением находится в стадии опытов. В этом направлении имеет значение автоматич. торможение поезда при проходе закрытого семафора. В данном случае Ф., соединенный через усилитель и реле с тормозным краном, находится на паровозе. Источник света располагается на семафоре. При закрытом семафоре луч света падает на Ф. и приводит в действие тормозное устройство. При открытом семафоре источник света отключается, и Ф. не получает сигнала. Из других применений Ф. следует отметить использование Ф. для автоматич. открывания дверей в помещениях; применяемое в данном случае устройство состоит из источника света, бросающего луч на фотоэлектронное реле, т. ч. луч проходит параллельно закрытым дверям. Открывание дверей осуществляется электромотором, к-рый приходит в действие в условиях отсутствия освещения Ф. Это получается каждый раз, когда кто-либо подходит к дверям и пересекает луч света, падающий на Ф. В настоящее время поставлена проблема использования Ф. в качестве источника электрич. энергии. Особенно любопытны при этом вентильные Ф., в которых происходит самое непосредственное превращение световой энергии в электрическую. Незначительность кпд их не разрешает пока эту актуальнейшую проблему. Тем не менее принципиальное решение ее вполне возможно.

Лит.: Наследов Д. иНеменов Л., Твердые выпрямители и фотоэлементы, М.—Л., 1933; Z w о гу-k i η V., Photocells a. Their Application, New York, 1932. С. Какурин.