Конструкції вентильних фотоелементів
В принципі конструкція всіх фотоелементів із замикаючим шаром одна і та ж. У кожному конкретному випадку, зрозуміло, можуть бути і ті чи інші відмінності, але вони не змінюють загального характеру побудови фотоелемента. Можуть змінюватися лише форма фотоелемента, його розміри, способи нанесення верхнього електрода, висновок таких електродів і т. Д.
Зазвичай виготовлення вентильного фотоелемента починається з так званого нижнього електрода - металевої пластинки товщиною 1-2 мм, на яку наноситься тонкий шар напівпровідника. Потім напівпровідниковий шар піддається обробці з метою створення в його товщі р-n-переходу. Після цього на зовнішню поверхню в більшості випадків наноситься верхній металевий електрод, який представляє собою тонкий напівпрозорий шар металу, що пропускає світло.
Іноді обробка напівпровідникового шару для створення р-n-переходу проводиться, коли вже завдано верхній металевий електрод. Бувають випадки обробки напівпровідника під час відсутності обох електродів. Останні створюються вже після утворення в напівпровідниковому шарі р-n-переходу. У деяких фотоелементах р -n-перехід утворюється в процесі нанесення верхнього електрода.
Таким чином, вентильний фотоелемент включає в себе нижній металевий електрод, електронний (або дірковий) напівпровідниковий шар, що замикає шар, дірковий (або електронний) шар, верхній металевий напівпрозорий електрод (рис. 1).
Фотоелемент поміщається в пластмасову оправлення з віконцем для світла. У оправлення зміцнюються дві струмові клеми, одна з'єднується з нижнім, інша - з верхнім електродом. Для запобігання зовнішньої поверхні фотоелемента від шкідливого впливу атмосферного повітря іноді вона покривається прозорим лаком. Деякі типи фотоелементів поміщаються в маленьку скляну колбу, з якої відкачується повітря, або ж вона наповнюється якимось інертним газом.
Якщо фотоелемент виготовляється з добре проводить напівпровідникового речовини, наприклад кремнію або германію, то верхній електрод може бути виконаний у вигляді кільця, якщо фоточувствительная поверхня має форму диска, або прямокутної рамки. Звичайно, можуть бути й інші рішення.
Падаючий на поверхню фотоелемента променистий потік частково відбивається від напівпрозорого металевого електрода і частково поглинається в ньому. Частина потоку, що пройшла через електрод, поглинається в прилеглому до нього напівпровідниковому шарі. В результаті в цьому шарі виникають пари електрон - дірка. Електрони концентруються на електроді, що покриває напівпровідниковий, шар, у якого електронний механізм провідності, а дірки - на електроді діркового напівпровідника. Між нижнім і верхнім електродом виникає різниця потенціалів, величина якої до певної межі буде тим більше, чим більше інтенсивність променистого потоку. Замкнув електроди фотоелемента зовнішньої ланцюгом, ми створимо умови для протікання в ній електричного струму. Так буде, поки фотоелемент освітлений, причому в інтервалі невеликих світлових потоків з граничним значенням в 1 люмен струм короткого замикання фотоелемента практично лінійно залежить від інтенсивності світлового потоку. Коли в ланцюг фотоелемента включається зовнішнє опір, то ця лінійність порушується.
Протягом останніх років увага фізиків було сконцентровано на отриманні фотоелементів з нових матеріалів, що володіють значною інтегральної чутливістю. При цьому ставилася додаткове завдання - розширити якомога більше спектральну характеристику фотоелемента, щоб він відчував не тільки всю видиму частину спектра, а й можливо більше невидиму - інфрачервону і ультра фіолетове.
Збільшення інтегральної чутливості і розширення спектральної характеристики фотоелемента мають колосальне значення. У фотоелемента, відчуває значну частину інфрачервоної і ультрафіолетової області спектра, були б дуже широкі можливості застосування в найрізноманітніших областях техніки. Таких фотоелементів ще не існує, тому зрозуміла боротьба за розширення спектральної характеристики фотоелемента в сторону інфрачервоній частині спектра, так як температурні джерела світла посилають випромінювання, у якого максимум енергії лежить в інфрачервоній області.
Фотоелектричні процеси, що протікають в вентильних фотоелементах, мають помітною інерційністю, яка позначається на формі їх частотних характеристик. Ця інерційність виникає головним чином внаслідок того, що вентильні фотоелементи мають власну ємність, значно більшу, ніж ємність фотоелементів із зовнішнім фотоефектом. Тому при падінні на вентильний фотоелемент змінного світлового потоку з якоюсь частотою виникає струм залежить від цієї частоти: зі збільшенням частоти фотоструму зменшується. Характер цього зменшення різний для різних фотоелементів.
Сильне зменшення віддачі більшості вентильних фотоелементів при збільшенні частоти обмежує їх застосування у випадках змінних світлових потоків порівняно великий частоти, наприклад в звуковому кіно. Однак, незважаючи на інерційність, кілька років тому серноталліевие фотоелементи успішно застосовувалися для звуковідтворення в деяких ленінградських кінотеатрах.
Вентильні фотоелементи виготовляються з різних фоточутливих напівпровідникових матеріалів. Широко поширені селенові фотоелементи. Спектральна характеристика селенового фотоелемента близька до чутливості людського ока, максимум спектральної чутливості знаходиться в області 5500-6000 А (0,55 - 0,6 мкм), т. Е. Лежить в. видимій частині спектру (рис. 2). Інтегральна чутливість селенового фотоелемента досягає 600 мкА / лм, т. Е. Перевершує чутливість фотоелементів із зовнішнім фотоефектом.
Ще ширше поширені фотоелементи з сірчистого срібла (Ag2S) - ФЕСС. Інтегральна чутливість ФЕСС досягає 9000 мкА / лм, досить широка спектральна характеристика (від 0,4 до 1,4 мкм) з максимумом чутливості в ближній інфрачервоній області (0,8 - 0,9 мкм). Серністосеребряние фотоелементи мають високу стабільність в роботі.