Zastosowanie zewnętrznego i wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego. Fotony, fotoogniwa i inne elementy fotoelektryczne w nowoczesnej technice

Zjawisko fotoelektryczne znalazło szerokie zastosowanie zarówno w technice jak i w życiu codziennym. Jednym z przykładów jest komórka fotoelektryczna. Składa się ona z bańki kwarcowej, której jedną połowę pokryto światłoczułą warstwą ( cez lub inny metal o małej pracy wyjścia elektronów ). Naprzeciw tej warstwy w środku bańki jest umieszczona pętla z drutu. Światłoczuła warstwa stanowiąca katodę i elektroda zbierająca ( anoda ), którą stanowi pętla, mają wtopione w szkło doprowadzenie prądu.

a) Wygląd zewnętrzny fotokomórki
b) Symbol fotokomórki
c) Zasada działania fotokomórki

Rozróżniamy dwa typy fotokomórek: próżniowe lub wypełnione gazem. Oświetlenie fotokomórki powoduje przepływ prądu, który możemy w odpowiedni sposób wykorzystać. W fotokomórce próżniowej mamy do czynienia z prądem elektronowym.

Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od przyłożonego napięcia dla fotokomórki próżniowej (I) i gazowej (II)

Komórki fotoelektryczne znalazły szerokie zastosowanie w urządzeniach liczących elementy oraz do precyzyjnego wyznaczania czasu. W tym ostatnim przypadku fotokomórka sprzęga się z zegarem kwarcowym. Za pomocą takich właśnie urządzeń mierzy się czas trwania biegu czy zjazdu sportowca z dokładnością tysięcznych części sekundy.

Jednym z najpopularniejszych zastosowań fotokomórki jest odtwarzanie dźwięku w trakcie wyświetlania filmu. Z boku taśmy filmowej znajduje się zapis dźwięku w postaci wąskiej ścieżki o różnym stopniu zaciemnienia. Światło po przejściu przez ścieżkę dźwięku pada na fotokomórkę powodując przepływ prądu o różnym natężeniu. Po wzmocnieniu prąd ten podawany jest na głośnik odtwarzający dźwięk.

Zastosowanie fotokomórki w filmie dźwiękowym

Z – źródło światła
U – układ optyczny
T – taśma filmowa
F – fotokomórka
W – wzmacniacz
G - głośnik

Natężenie fotoprądu wytworzonego w fotokomórce zależy od jej oświetlenia, przy czym można zbudować fotokomórki reagujące np. dopiero na promieniowanie nadfioletowe. W obwodzie z fotokomórką mamy zatem do czynienia z przetwarzaniem energii promienistej w energię elektryczną lub ze sterowaniem przepływu prądu. Jest ona zatem swego rodzaju przetwornikiem energii świetlnej w elektryczną.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – elektrony są emitowane z powierzchni oświetlanego materiału. Zastosowanie: w komórce fotoelektrycznej dwie elektrody umieszczone są naprzeciw siebie. Padające światło uwalnia z fotoelektrody elektrony swobodne. Między obiema elektrodami płynie prąd elektryczny o natężeniu proporcjonalnym do natężenia oświetlenia.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne- światło wnika do wnętrza materiału ( przede wszystkim chodzi o półprzewodniki ) i uwalnia tam kolejne elektrony. Zmienia się przez to przewodność elektryczna właściwa materiału. Zastosowanie : w ogniwie fotoelektrycznym.
W fotoogniwie , w którym wykorzystuje się zjawisko fotowoltaiczne zachodzące w półprzewodnikowym złączu p-n następuje bezpośrednia zamiana energii promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego lub bliskiej podczerwieni na energię elektryczną. Ogniwa fotoelektryczne krzemowe używane w bateriach słonecznych, mają sprawność przetwarzania energii około 10 %, a ich SEM wynosi 0,5 V.

Fotodioda – dioda, w której na wartość prądu można wpływać przez zmianę natężenia promieniowania elektromagnetycznego padającego na określoną jej powierzchnię ( np. fotokatodę K ) lub złącze p – n . Zasada działania fotodiody polega na wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego ( fotodiody próżniowe i gazowe ) lub wewnętrznego ( fotodiody półprzewodnikowe ). W fotodiodach próżniowych elektrony emitowane z katody dolatują do anody A pod wpływem doprowadzonego do niej napięcia Ua. Zależność Ia ( Ua ) nazywa się charakterystyką fotodiody.

Wartość prądu Ia fotodiody zależy od strumienia elektromagnetycznego padającego na powierzchnię fotokatod K. Zależność ta umożliwia stosowanie fotodiody jako detektorów promieniowania.

Podstawowym parametrem fotodiody jest jej czułość zdefiniowana jako stosunek prądu anody do strumienia świetlnego  docierającego do fotokatody. Czułość fotodiody próżniowej, która pracuje w zakresie nasycenia, jest równa czułości fotokatody. W fotodiodzie gazowej, w której zachodzi lawinowa jonizacja gazu, występuje wzmocnienie prądowe i czułość lampy jest 5 – 20 razy większa od czułości fotokatody.

Fotodiodę półprzewodnikową stanowi płytka półprzewodnikowa ze złączem p – n wmontowana w obudowę, która umożliwia przekazanie promieniowania na powierzchnię światłoczułą płytki. Promieniowanie absorbowane w półprzewodnikach powoduje generację swobodnych nośników ładunku. Nośniki mniejszościowe generowane w obszarze ładunku przestrzennego są rozdzielane przez złącze p – n , tzn. elektrony są usuwane do obszaru typu n, a dziury do obszaru typu p, gdzie stają się nośnikami większościowymi. Ruch tych nośników jest rejestrowany w obwodzie zewnętrznym fotodiody jako prąd fotoelektryczny wywołany padającym strumieniem promieniowania.

Fotodiody są stosowane w fotometrii, w technice filmu dźwiękowego oraz w automatyce przemysłowej.