§ 204.  Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано дейст­вие фотоэлектронных приборов, получив­ших разнообразное применение в различ­ных областях науки и техники. В настоя­щее время практически невозможно ука­зать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемни­ки излучения, работающие на основе фо­тоэффекта и преобразующие энергию из­лучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внеш­ним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой отка­чанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещае­мая в центре баллона. Фотоэлемент вклю­чается в цепь батареи, э.д.с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотока­тода определяется рабочей областью спек­тра: для регистрации видимого света и ин­фракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротко­волновой части видимого света — сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока ин­тенсивности излучения. Эти свойства по­зволяют использовать вакуумные фотоэле­менты в качестве фотометрических при­боров, например фотоэлектрический эк­спонометр, люксметр (измеритель осве­щенности) и т. д.

Для увеличения интегральной чувстви­тельности вакуумных фотоэлементов (фототок насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется разреженным инертным газом (Ar или Ne при давлении »1,34 — 13 Па). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность газона­полненных фотоэлементов (»1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20— 150 мкА/лм), но они обладают по сравне­нию с последними большей инерционно­стью (менее строгой пропорционально­стью фототока интенсивности излучения), что приводит к ограничению области их применения.

Для усиления фототока применяются уже рассмотренные выше (см. рис. 155) фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии (см. § 105). Размеры фотоэлектронных ум­ножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет »10⁷ (при напряже­нии питания 1 — 1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умно­жители начинают вытеснять фотоэлемен­ты, правда, их применение связано с ис­пользованием высоковольтных стабилизи­рованных источников питания, что не­сколько неудобно.

Фотоэлементы с внутренним фотоэф­фектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивления­ми (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления ис­пользуются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлек­тронных умножителей имеют «красную границу» фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позво­ляет производить измерения в далекой ин­фракрасной области спектра (3 — 4 мкм), а также в областях рентгеновского и гам­ма-излучений. Кроме того, они малогаба­ритны и имеют низкое напряжение пита­ния. Недостаток фотосопротивлений — их заметная инерционность, поэтому они не­пригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэф­фектом, называемые вентильными фото­элементами (фотоэлементами с запираю-

 

329

щим слоем), обладая, подобно элемен­там с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интен­сивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чув­ствительность (примерно 2 — 30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлемен­тов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-сереб­ряные и др.

Кремниевые и другие вентильные фо­тоэлементы применяются для создания со­лнечных батарей, непосредственно преоб­разующих световую энергию в электриче­скую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на советских космических спутниках и кораблях. К. п. д. этих бата­рей составляет ~=10 % и, как показывают теоретические расчеты, может быть дове­ден до «22 %, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.

Рассмотренные виды фотоэффекта ис­пользуются также в производстве для кон­троля, управления и автоматизации раз­личных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излу­чением, в технике звукового кино, в раз­личных системах связи и т. д.