Фотоелектронні прилади

    Спектральні характеристики ФЕП, як і спектральні  характеристики фотоелементів, визначаються типом застосовуваного фотокатода. Тип спектральної характеристики і абсолютне значення спектральної чутливості фотокатода на певній довжині хвилі вказують у паспорті на ФЕП [16].

    Характеристики і параметри ФЕП, виміряні при постійних значеннях потоків випромінювання і напруг, що прикладають до електродів, називаються статичними. Здатність ФЕП реєструвати імпульсні потоки випромінювання характеризують імпульсні параметри.

    Статичні  характеристики та параметри ФЕП. Спектральною чутливістю ФЕП називається відношення анодного струму до падаючого на фотокатод монохроматичному потоку випромінювання. Світлова анодна чутливість ФЕП – це відношення анодного струму до світлового потоку джерела. Анодна чутливість ФЕП дорівнює чутливості фотокатода, помноженій на коефіцієнт підсилення і вимірюється при рівномірному висвітленні всієї поверхні фотокатода. Якщо послідовно висвітлювати різні ділянки фотокатода вузьким пучком, то можна виявити нерівномірність чутливості по поверхні фотокатода.

    Залежність  чутливості від координат ділянок  висвітлення називається зонною характеристикою. На рисунку 2.9 наведена зонна характеристика одного із приладів, виміряна по діаметру фотокатода. Зміна чутливості ФЕП при висвітленні різних ділянок фотокатода обумовлена нерівномірністю чутливості фотоемісійного шару та неоднаковим збором електронів з різних ділянках фотокатода на перший динод. 

    Світлова  характеристика ФЕП – це залежність анодного струму від потоку випромінювання при постійній напрузі живлення. При невеликих потоках випромінювання світлові характеристики лінійні. Відхилення від лінійності характеристик по мірі росту потоку випромінювання в статичному режимі визначається в основному стомленням динодів при протіканні значних струмів. Якщо напруга між останнім динодом та анодом виявиться занадто малим, наприклад, при занадто великому опорі навантаження, то можливе виникнення об'ємного заряду перед анодом. Це також приводить до нелінійності світлової характеристики. В імпульсному режимі межа лінійності світлової характеристики може становити декілька ампер. Щоб запобігти переходу ФЕП в режим об'ємного заряду, необхідно підвищувати напруги на останніх каскадах множення.

    На  рисунку 2.10 наведене сімейство статичних світлових характеристик ФЕП при різних напругах живлення.

    Чутливість  ФЕП при різних напругах живлення може бути визначена як тангенс кута нахилу світлової характеристики.

    Залежність  анодної чутливості від напруги  живлення ФЕП показана на рисунку 2.8. Зі збільшенням напруги чутливість, пропорційна коефіцієнту підсилення ФЕП, росте за степеневим законом. Швидкість росту (нахил характеристик) залежить від помножувально-емісійних властивостей динодів і числа каскадів помножувальної системи. У паспортах ФЕП зазвичай вказують фіксовані напруги живлення, що відповідають номінальним значенням світлової анодної чутливості: 1,3,10, 30, 100 А/лм [18].

    Анодна  характеристика ФЕП показує залежність анодного струму (або анодної чутливості) від напруги між анодом та останнім динодом. На рисунку 2.11 зображено сімейство анодних характеристик ФЕП при різних потоках випромінювання та незмінній напрузі на каскадах підсилення.

    Крута ділянка характеристики (рисунок 2.12) відповідає режиму об'ємного заряду, що утвориться між анодом та останнім динодом. При збільшенні напруги прилад переходить у режим насичення, що є робочим режимом ФЕП. При виборі опору навантаження необхідно звернути увагу на те, щоб робоча точка не виходила за межі області насичення характеристики [14]. 

    2. 3 Сонячні батареї на основі явища фотоефекту 

    Напівпровідникові фотоелектричні елементи, що працюють на принципі перетворення світлової  енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають  сонячними батареями. Схема роботи сонячної батареї зображена на рисунку 2.13.

    Рисунок 2.13 - Схема роботи кремнієвої сонячної батареї: 1 - чистий монокристалічний кремній; 2 - «забруднений» кремній; 3 – акумулятор [25]

    Тонка пластина сонячної батареї складається з двох шарів кремнію з різними фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній. Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору. Після опромінення такої «структури» сонячними променями між шарами виникає потік електронів і утворюється різниця потенціалів, а в зовнішньому ланцюзі, що з'єднує шари, з'являється електричний струм.

    При цьому генерується постійний  струм. Енергія може використовуватися  як напряму різними навантаженнями постійного струму, так і запасатися в акумуляторних батареях для подальшого використовування, а також перетворюватися в змінний струм напругою 220 В для живлення різного навантаження змінного струму. Вживання сонячних батарей стає ефективним при об'єднанні їх в єдину систему з такими пристроями, як акумулятори, контролери, інвертори тощо [24].

    Сонячний  модуль - це батарея взаємозв'язаних сонячних елементів, укладених під  скляною кришкою. Фотоелектричну систему  можна довести до будь-якого розміру. Таку систему можна збільшити або зменшити, якщо зміниться потреба в споживанні електроенергії. Чим інтенсивніше світло, яке падає на фотоелементи і чим більша їх площа, тим більше виробляється електроенергії і тим більша сила струму. Модулі класифікуються по піковій потужності у ватах. Один піковий ват (Втп) - це технічна характеристика, яка вказує на значення потужності установки в умовах коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м² падає на елемент при температурі 25°C. Така інтенсивність досягається за хороших погодних умов і сонця в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Крупніші модулі, площею 1 м × 40 см, виробляють близько 40-50 Втп. Проте сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м2. Більш того, на сонці модуль нагрівається значно вище за номінальну температуру. Обидва ці чинника знижують продуктивність модуля. В типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт·год в день і 2000 Вт·год в рік на 1 Втп.

    Технології  використання сонячної енергії активно  розвиваються в багатьох країнах  світу. Деякі з них вже досягли  комерційної зрілості, успішно конкурують на ринку енергетичних послуг і навіть увійшли до повсякденного вжитку [22].

    У Німеччині, наприклад, в рамках проекту  «Тисяча дахів» 2250 будинків було обладнано  фотоелектричними сонячними батареями. В США була прийнята ще масштабніша  програма «Мільйон сонячних дахів», яка  розрахована на період до 2010 року і  склала 6,3 млрд доларів бюджетних  вкладень.

    Встановлена потужність сонячних фотоелектричних  перетворювачів в світі перевищує 1 ГВт, причому на частку Японії доводиться 50%. Багато космічних апаратів обладнано  сонячними панелями. Сонячні батареї поступово входять в наш побут. Вже нікого не дивують мікрокалькулятори, що працюють без батарей. Джерелом живлення для них служить невелика сонячна батарея, вмонтована в кришку приладу. Замінюють інші джерела живлення мініатюрною сонячною батареєю і в електронному годиннику, радіоприймачах і магнітофонах, садових ліхтарях [26].

    Сонячні батареї мають такі переваги у  порівнянні з іншими джерелами живлення:

• автономність;
• висока надійність;
• зниження витрат на гаряче водопостачання і опалювання до 85% (сонячна енергія безкоштовна);
• економія органічних видів палива (мазуту, нафти, газу);
• скорочення викидів двоокису вуглецю в навколишнє середовище;
• загальнодоступність і невичерпність джерела;
• відсутність проміжних фаз перетворення енергії;
• напівпровідникові сонячні батареї мають дуже важливу перевагу – довговічність, при тому, що догляд за ними не вимагає від персоналу особливо великих знань;
• теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (екологічно чисте джерело енергії) і людини (технічна безпека відповідає всім світовим стандартам);
• розповсюдення сонячних установок серед населення і промисловості позитивно впливає на енергетичну безпеку країни.

    Недоліками  сонячних батарей є перманентна  залежність потужності від місцевих умов, часу доби і року, відносна дорожнеча, маленький коефіцієнт корисної дії  і чутливість до механічних пошкоджень.

    Розрахунки  показують: щоб одержати великі кількості  енергії, сонячні батареї повинні  займати величезну площу - тисячі квадратних кілометрів. Сьогодні виготовити таку величезну кількість сонячних елементів практично неможливо. Вживані в сучасних фотоелементах надчисті матеріали - надзвичайно дорогі. Щоб їх виготовити, потрібне складне устаткування, використання особливих технологічних процесів. Економічні і технологічні міркування поки не дозволяють розраховувати на отримання таким шляхом значних кількостей електричної енергії [27].

    Останнім  часом вчені у сфері конструювання  матеріалів для напівпровідникових фотоелементів - провели ряд робіт, які дозволили наблизити час створення сонячних електростанцій. Коефіцієнт корисної дії сонячних батарей з нових структур напівпровідникових матеріалів досягає вже 30%, а теоретично він може скласти і 90%. Вживання таких фотоелементів дозволить в десятки разів скоротити площі панелей майбутніх сонячних електростанцій. Їх можна скоротити ще в сотні разів, якщо сонячний потік заздалегідь зібрати з великої площі, сконцентрувати і тільки потім подати на сонячну батарею. Отже в XXI столітті сонячні електростанції з фотоелементами можуть стати звичним джерелом енергії. Та і в наші дні вже має сенс одержувати енергію від сонячних батарей в тих місцях, де інших джерел енергії немає [28]. 
 

     ВИСНОВКИ 

    Розглянувши будову, класифікацію, основні параметри, а також фізичні основи роботи фотоелектронних приладів можна зробити наступні висновки:

1. У результаті впливу на метали і напівпровідники електромагнітного випромінювання відбувається звільнення електронів від атомів, при поглинання ними квантів випромінювання: при взаємодії електронів з іншими атомами відбувається зміна внутрішньої енергії тіла (нагрівання); якщо електрон не зв’язаний з атомами – то вся його енергія буде потрачена на роботу виходу з даного матеріалу.
2. Максимальна кінетична енергія звільнених електронів лінійно залежить від частоти ν і не залежить від інтенсивності світла, яке викликає фотоефект. Інтенсивність світла, за якої відбувається фотоефект, впливає тільки на кількість звільнених електронів.
3. Показано, що для перетворення енергії фотонів в електричну використовують фотоелементи, ефективність перетворення яких залежить від електрофізичних властивостей неоднорідної напівпровідникової структури, а також їх оптичних властивостей, серед яких найбільш важливу роль грає фотопровідність.
4. Встановлено, що для виміру дуже слабких потоків випромінювання використовують фотоелектричні помножувачі, важливими параметрами яких є широкополосність, поріг світлової чутливості, коефіцієнт вторинної емісії.
5. Для перетворення енергію світла в електричну використовують сонячні модулі, які мають такі переваги у порівнянні з іншими джерелами енергії: висока надійність, екологічність, економічність, модульність; хоча продуктивність їх складає лише близько 6 Вт∙год в день, вони відносно дорогі у виготовленні та чутливі до механічних пошкоджень.

ЛІТЕРАТУРА 

1. Сушков  А.Д. Вакуумная электроника. - Санкт-Петербург: Лань. - 2004. – 464 с.
2. Щука А.А. Электроника / Учебное пособие. - Санкт-Петербург: БХВ – Петербург. - 2005. – 800 с.
3. Федосеева Е.О., Федосеева Г.П. Основы электроники и микроэлектроники. – Москва: Искусство. - 1990. – 240 с.
4. Соболева Н.А., Берковский А.Г., Чечик Н.О. и др./ Фотоэлектронные приборы. - Москва: Наука. - 1965. – 592 с.
5. Батушев В.А. Электронные приборы. – Москва: Высшая школа. - 1980. – 382 с.
6. Гуртовник А.Г., Точинский Е.Г., Яблонский Ф.М. Электровакуумные приборы и основы их конструирования. – Москва: Энергоатомиздат. - 1988. – 424 с.
7. Кучерук І. М., Горбачук І.Т. Загальний курс фізики. Оптика. Квантова фізика. – К.: Техніка. - 1999. – 356с.
8. .  Годованюк В.М.,  Добровольський  Ю.Г.,  Рюхтін  В.В. / Дослідження високоомного кремнію різних модифікацій для оптимізації параметрів фотодіодів на їх основі // Науковий вісник ЧДУ. - Вип. 50. - 1999. – С.58-60.
9. Сапожников Р.А. Теоретическая фотометрия. - М.: Энергия. - 1977.-264 с.
10. Ремизов А.Н. - Курс физики, электроники и кибернетики. - М.: Высшая школа. – 1982.
11. .  Курмашев  Ш.Д.,  Сидорец Р.Г. / Чувствительность  фоторезисторов, эквивалентных инжекционным фотодиодам // Наукові праці інституту радіо і телебачення.- Т3, № 4.- 2002.- С.56-58.
12. . Ащеулов А.А., Годованюк В.Н., Добровольский Ю.Г. та ін. / Оптимизация надежности кремниевых  p-i-n фотодиодов  по темновому току // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.- Т.1 - № 3.- 1999. -С. 35-38.
13. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа. - 1989. – 423 с.
14. Зеленков І.А. Фотометрія. - К.:НАУ. - 2003. - 205 с.
15. .  Годованюк В.М., / Термостойкий  кремниевый  фотоприемник // Технология приборостроения. – Харьков. - Вып.1. - 1998. - С.16-18.
16. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлетронные приборы. - Москва: Радио и Связь. - 1988. – 272 с.
17. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука. - 1989. - 310 с.
18. Викулин И.М., Курмашев Ш.Д. / Однопереходный фототранзистор с инжекционным усилением // Письма в ЖТФ.- Т.6, Вип. 4.- 1980. - С. 867- 870.
19. Кациельсов Б.В., Калугин А.М., Ларинов А.С. Электровакуумные и газорозрядные прибори. – Москва: Радио и Связь. - 1985. – 864 с.
20. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. – М.: Энергоатомиздат. - 1983. –384 с.
21. Рохлин Г.И. Разрядные источники света. – М.: Энергоатомиздат. - 1991. –720 с.
22. Yariv A. Introduction To Optical Electronics. – М.: Высшая школа. - 1983. – 400 с.
23. .  Курмашев  Ш.Д.,  Викулин И.М. / Шумы  фотоприемника на  основе транзистора с дополнительным инжекционным усилением // Радиотехника и электроника.- Т. 32.- 1987.- С. 2231-2234.
24. Сердюк В. В., Чемересюк Г.Г., Терек М.. Фотоэлектрические процесы в полупроводниках. – К.: Вища школа. - 1982. - 150 с.
25. Пасечкин Л.Л., Попович А.С. Энергетика: реальность и перспективы. – К.: Вища школа. - 1986.
26. Экология энергетики / Под общей редакцией В. Я. Путилова. - М.: Изд-во МЭИ. - 2003.
27. Курмашев Ш.Д.,  Викулин И.М. / Инжекция неосновных  носителей  заряда в поверхностно-барьерных структурах на основе Si, Au // Фотоэлектроника.- Т. 11. – 2002 - С. 46-52.
28. Сукач Г.А., Олексенко П.Ф. / Изменение характеристик излучения светодиодов при вариации внутренних факторов и параметров  импульсного  возбуждения // Измерительная техника. – Т.12. - 1999.- С.37-38.