Девять цветов радуги
Шрифт:
Фотоэлементы нового типа устроены совсем иначе и гораздо проще, чем старые. Они представляют собой небольшой кусочек специального вещества, вставленный в оправу. С торцов это вещество плотно соприкасается с металлическими контактами — выводами. Внешняя поверхность, обращенная к свету, и есть рабочая поверхность, на которую направляют лучи света.
Когда такой фотоэлемент находится в темноте, свободных электронов в пространстве кристаллической решетки очень мало. В этом случае они смогут освобождаться из атомов только за счет нагрева. Но, когда на рабочую поверхность падают лучи света, свободных электронов в кристаллической решетке вещества становится много; тем больше, чем интенсивнее падающий свет. Они хаотически
Но стоит только подключить к выводам источник электрического тока, как движение электронов упорядочится с очень большой быстротой. Большинство электронов начинает двигаться в одну сторону: от вывода, на который подан минус, к выводу, присоединенному к плюсу. Такое упорядоченное движение электронов и есть электрический ток. Чем интенсивнее падающий свет, тем больше освободившихся электронов, тем больший течет ток.
У таких фотоэлементов есть важная отличительная черта. Она состоит в том, что ток, проходя через них при постоянном освещении, изменяется при изменении напряжения источника, повинуясь всем известному закону Ома. Иными словами, при неизменной освещенности фотоэлемент с внутренним фотоэффектом ведет себя как обычное сопротивление. Благодаря этому свойству фотоэлементы такого рода называют теперь фотосопротивлениями. Это название прочно привилось к ним еще и потому, что по своему виду фотосопротивления действительно похожи на самые распространенные элементы радиоэлектронных схем — сопротивления.
Мы тоже будем пользоваться таким названием, тем более удобным, что оно подчеркивает разницу между фотоэлементами с внешним фотоэффектом и фотоэлементами с внутренним фотоэффектом и позволяет избежать путаницы.
Для изготовления фотосопротивлений применяется особая группа материалов — так называемых полупроводников. Наиболее часто в настоящее время фотосопротивления изготавливаются из сернистого свинца, трехсернистой сурьмы, теллуристого свинца, сернистого кадмия и из некоторых химических соединений, содержащих селен.
Современные фотосопротивления обладают весьма высокой чувствительностью. Не менее важно и то, что при достаточном освещении они могут пропускать во внешнюю цепь сравнительно большой ток. Это означает, что их часто можно использовать без каких-либо дополнительных электронных усилителей. Так, схему простого счетчика, в котором раньше совместно с фотоэлементом применяли усилитель, можно собрать, используя только фотосопротивление, батарею и электромагнитное реле.
Есть у фотосопротивлений и недостатки. Основной из них — это то, что они инерционны, то есть имеют достаточную чувствительность и проводят нормальный рабочий ток только в том случае, если интенсивность падающего на них света либо вовсе не изменяется во времени, либо изменяется сравнительно медленно. Если же она пульсирует с большой частотой или представляет собой ряд последовательных кратковременных вспышек, то фотосопротивление не успевает реагировать на такие быстрые изменения освещенности. В этом смысле фотосопротивления напоминают глаз, который тоже не успевает реагировать на вспышки, часто следующие друг за другом. Как правило, инерционность фотосопротивлений тем больше, чем больше их чувствительность.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом и фотоумножители не обладают таким недостатком. Они практически мгновенно откликаются на каждое даже очень кратковременное, очень быстрое изменение светового потока. Именно поэтому фотоумножители можно применять в счетчиках частиц, в световых измерителях расстояний, где длительность световых вспышек составляет миллионные доли секунды, в световой телефонии, где свет пульсирует
Первые более или менее пригодные для технического использования фотосопротивления появились незадолго до второй мировой войны. В годы войны немецкие специалисты добились некоторых успехов в их усовершенствовании. Но всего лишь лет десять назад фотосопротивления были доведены до такой степени совершенства, что в настоящее время без них были бы немыслимы многие важные приборы.
Новые пути
Ученые и инженеры, занятые во многих странах разработкой различных приемников света, не успокоились на достигнутом и в последние три года получили новые поразительные результаты.
Первых успехов добились создатели очень сходных с фотосопротивлениями устройств, названных фототранзисторами. Фотодиоды (двухэлектродные устройства) и фототриоды (трехэлектродные устройства) стали изготавливать из двух важнейших полупроводниковых материалов — германия и кремния, именно тех материалов, из которых изготавливают все остальные типы транзисторов.
Фотодиоды и фототриоды по своим размерам оказались еще меньше фотосопротивлений, но они обладают поистине замечательными свойствами. Фотодиоды по чувствительности уступают только лучшим типам фотосопротивлений, но зато значительно превосходят их по быстродействию. Инерционность их настолько мала, что даже при изменении интенсивности света с частотой 100 и 200 тысяч периодов в секунду или при вспышках, длящихся стотысячные доли секунды, они почти не теряют чувствительности и продолжают выдавать достаточные по величине сигналы. Но это только начало, в дальнейшем фотодиоды можно значительно усовершенствовать.
Фотодиод может пропускать сравнительно небольшие токи. Зато фототриод и в этом не уступает и даже превосходит фотосопротивления. По чувствительности некоторые типы фототриодов догоняют уже фотоумножители. Правда, пока еще не все фототриоды имеют малую инерционность, но в этом направлении делается многое, и уже появились первые сообщения о том, что некоторые типы фототриодов могут реагировать на свет, пульсирующий с частотой в десятки миллионов периодов в секунду, или на кратковременные вспышки, длящиеся одну десятимиллионную долю секунды. Такие фототриоды уже вполне пригодны для использования в световых дальномерах.
Следует сказать еще об одном важном преимуществе фотодиодов и фототриодов. Оно заключается в том, что они могут без всяких повреждений или ухудшения свойств работать в чрезвычайно широком диапазоне освещенностей: от сумеречной до освещенности прямыми солнечными лучами. В этом они мало уступают человеческому глазу и значительно превосходят фотоумножители. Последние не выдерживают больших освещенностей. И при интенсивной засветке высокочувствительные фотоумножители сразу же выходят из строя. Если к этому добавить, что фототриоды и фотодиоды имеют очень малые габариты, значительно прочнее и неизмеримо проще в эксплуатации, то можно сказать, что в ближайшем будущем они найдут широкое применение.
Спектральная характеристика фотодиодов и фототриодов зависит от материала, из которого они выполнены. При применении германия красная граница чувствительности доходит до 1,6–1,7 микрона, то есть находится в области инфракрасных лучей. Кремниевые фотодиоды и фототриоды имеют высокую чувствительность только в области видимых световых лучей.
Характеристика спектральной чувствительности приемников света является очень важным параметром этих устройств. Она определяет применимость их в тех или иных случаях. В настоящее время за рубежом ведутся работы с целью расширить границы чувствительности и, в особенности, продвинуть их в инфракрасной области. Пока «чемпионами» являются фотосопротивления из сернистого свинца, теллуристого свинца и из соединения селена со свинцом. Красная граница таких фотосопротивлений лежит на волнах длиной от 3 до 5 микронов.