Fotoelement ja fotoelektronkordisti Koostasid: Tarmo Kõrs Helina Sepp Egert Muuga Fotoelement · Fotoefektil töötav seade. · Kasutusalad: automaatika, telemehaanika, toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel, kinos, televisioonis jne. · Tekib valguse toimel elektrivool või muudetakse valguse energia elektrienergiaks. Õhutühi klaaskolb · Lihtsaim näide fotoelemendist. · Kujutab endast klaaskolbi mille sisepind on kaetud aine kihiga, mille väljumistöö on väike. · Kolvi keskel on traatsilmus anood. · Tööpõhimõte: Katoodi valgustamisel
2 väljalöödud elektroni kineetiline energia. Fotoefekti ,,punapiir": h fp = A, kus fp on ,,punapiirile" vastav valgusvõnkumiste sagedus, väljalöödud me v 2 elektronil kineetiline energia puudub ( = 0 ), kogu footoni energia 2 kulub elektroni väljalöömiseks metallist. Miks ei ole fotoefektil esinevaid seaduspärasusi (eelkõige ,,punapiiri" olemasolu) võimalik mõista valguse lainelise olemuse alusel? Valguse kui lainetuse intensiivsus ja seega valgusega kantav energia sõltub valgusvõnkumise amplituudist. Suurendades valguse intensiivsust suureneb energia ja mingist intensiivsusest alates peaks tekkima fotoefekt, mille tekkimine ei peaks sõltuma valguse sagedusest (valguse värvist). Heiti Aarna 2008
(energia) võrdub punapiirile vastava energia ja kineetilise energia summaga (hf = A + Ek) ning (kvandi)energia E on suurem või võrdne väljumistööst A. Lõplikult lüüakse elektronid minema vaid negatiivelt laetud ainest. Fotoefekti punapiir on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama. Mida suurem on katoodile langeva valguse intensiivsus I, seda suurem on küllastusvool ehk vool, mis mingi pinge väärtusest enam ei muutu. Fotoefektil töötavaid seadmeid kasutatakse automaatikas (valgustuses, detailide loendamises) ja telemehaanikas (elektritakistuse vähendamisega), toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel (fototakistiga, fotodioodiga, nõrka valgust fotoelektronkordistiga), kinos, televisioonis, fotograafias, päikesepatareides (hulk omavahel elektriliselt ühendatud fotoelemente; kosmoselaevades, elektrijaamades, ka kosmosesse paigutatavates) jne. Fotoelemendis
Füüsikalise pendli pikkuseks on nn taandatud pikkus, mis kõndijale on kolmandik jala pikkusest. Teatud lähenduses võime kasutada matemaatilise pendli perioodi valemit, kus pendli pikkuseks ongi taandatud pikkus. Teades oma jala võnkeperioodi, sammu pikkust, joonistage igaüks välja oma jala omavõnkumiste graafikud ja tehke järeldused. 3. Fotoefekt fotoefektiks nimetatakse elektronide vabastamist aatomist või nende väljumist ainest valguse (elektromagnetkiirguse) mõjul. Fotoefektil on kaks alaliiki sisefotoefekt ja välisfotoefekt. Sisefotoefektil lööb valgus elektroni lahti ainult aatomi küljest. Elektron jääb ainetüki sisemusse, kuid saab nüüd vabalt liikuda. Seevastu välisfotoefektil paiskuvad elektronid ainetükist üldse välja. Fotoefekti abil saab muuta valgusenergiat elektrienergiaks. Seadmeid, mis seda võimaldavad, nimetatakse fotoelementideks. Neid kasutatakse tänapäeval väga laialdaselt, näiteks kaamerates ja optilistes sensorites
energiaportsjonite, kvantide kaupa. Valguse kvanti hakati nimetama footoniks. E =h f Kus h on konstant ,h =6,6 x 10-34 J-s . Seda konstamti tuntakse Plancki konstandina. Fotoefekt Fotoefektiks nimetatakse elektronide väljalöömist ainest valguse toime. Fotoefektile andis seletuse A. Einstein, kes väitis, et valguskvant saab neelduda ainult tervikuna. See tähendab, kui elektron neelab footoni siis elektroni energia suureneb täpselt hf võrra. Fotoefektil kehtib seega valem hf =A+mv2 / 2 Fotovoolu tugevus oleneb valguse intensiivsusest ja on seda suurem, mida suurem on intensiivsus. Piirsagedust või lainepikkust, mille puhul footoni energia on võrdne elektroni väljumistööga nimetatakse fotoefekti punapiiriks. Footonid Footoni energia on määratud talle vasava laine sagedusega.Footonil,nagu igal osakesel on mass. Erinevalt teistest osakestest pole footonil seisumassi,st ta ei saa eksisteerida paigalolekus
erinevusest. 57.Fotodiood. Pooljuhtdiood, mille karakteristikud sõltuvad valgustatusest. F-I tundlikkus oleneb valguse lainepikkusest spektraaltundlikkus on suurim infrapunases spektrialas. F-I vool sõltub valgustatusest suures osas lineaarselt, ajakonstant on alla 10 ns. Kasut kiirguste avastamisel, kujutise edastamisel jne. 58.Fotoelement. Fotoelektriline seadis, mille töö põhineb kaaliumist või baariumist fotokatoodi või pooljuhi valgustamisel tekkival fotoefektil. Vaakuum- ja ioonf-d rajanevad välisfotoefektil, mispuhul katoodile langev valgus põhjustab elektroniemissiooni, fototakistid sisefotoefektil, mis avaldub pooljuhi elektrijuhtivuse suurenemises valguse toimel ergastuvate elektronide ja aukude tõttu. 59.Fototakisti. Kahe elektroodiga pooljuhtfotoelement, mille elektrijuhtivus sõltub seadisele langeva kiirguse intensiivsusest ja spektrist. F-te omadused sõltuvad temperatuurist, neil on suur eritundlikkus ja ajakonstant,
osakese omadusi seob Plancki valem: E=h·f ,kus h=6,63·10 Js on Plancki konstant ja f c on valguse sagedus (1Hz). Siin võib kasutada ka valguse lainepikkust f , kus c=3·10 8 m s on valguse kiirus vaakumis. Valgusel on omadus ainest elektrone välja lüüa. Seda nähtust nimetatakse fotoefektiks. Fotoefektil on kaks seaduspärasust: 1) Ainest ajaühikus välja löödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega. See tähendab, et intensiivsem valgus sisaldab rohkem valguse osakesi ehk valguskvante ehk footoneid ja iga kvant lööb ühe elektroni välja. 2) Välja löödud elektronide ehk fotoelektronide energia ei sõltu valguse intensiivsusest vaid on määratud valguse sagedusega. Seega suurema sagedusega valguskvandid on suurema energiaga ja suudavad ka
elementidena raadio- ja elektronseadmetes. Dioodi kest võib olla kas klaasist, plastist või metallist. Metallkesti kasutatakse reeglina suurevoolulistel dioodidel ja tavaliselt on see parema jahutuse võimaldamiseks ühendatud dioodi katoodiga. Fotoelement-Kasut kiirguste avastamisel, kujutise edastamisel jne. 58. Fotoelement . Fotoelektriline seadis, mille töö põhineb kaaliumist või baariumist fotokatoodi või pooljuhi valgustamisel tekkival fotoefektil. Termistor ehk termotakisti on termoelektriline pooljuhtseadis, mille takistus sõltub tugevalt ja mittelineaarselt temperatuurist. Seega on termistoril suur takistuse temperatuuritegur. Sõltuvalt valmistamiseks kasutatud materjalidest võib see tegur olla positiivne (PTC) või negatiivne (NTC). Positiivse temperatuuriteguriga termistoridel ehk PTC-termistoridel on temperatuuriteguri absoluutväärtus enamasti kuni 30 %/K, negatiivse temperatuuriteguriga termistoridel ehk NTC-termistoridel 2 .
+dünoodile jne--elektronide arv mitmekordistub, kuni valgussignaal on mõõdetav. 4. Kus kasutatakse fotoelemente? Tänavavalgustuse sisse ja välja lülitamine, detailide loendajad konveieris, metroos, kinos, fotograafias, televisioonis, automaatikas ja telemehaanikas. Sisemise fotoefektiga pooljuhtidel töötavad veel fototakistid, fotodioodid, päikesepatareid. 5. Mis erinevus on sisemisel ja välisel fotoefektil? Sisemine fotoefekt on pooljuhtides, kus valgus ei löö elektrone ainest välja nagu välise fotoefekti korral, vaid lihtsalt vabastab elektronid aatomitest, et elektronid saaksid siis elektrivälja toimel liikuma hakata. 14.2 Päikesepatarei. 6. Millest koosneb päikesepatarei? Koosneb tervest hulgast üksikutest pooljuhtdioodidest--fotoelementidest., mis on omavahel elektriliselt ühendatud suurteks patareideks. 7. Kus kasutatakse päikesepatareid? Et Päike annab Maale igas sekundis 3
energia ja kineetilise energia summaga (hf = A + Ek) ning (kvandi)energia E on suurem või võrdne väljumistööst A. Lõplikult lüüakse elektronid minema vaid negatiivelt laetud ainest. Fotoefekti punapiir on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama. Mida suurem on katoodile langeva valguse intensiivsus I, seda suurem on küllastusvool ehk vool, mis mingi pinge väärtusest enam ei muutu. Fotoefektil töötavaid seadmeid kasutatakse automaatikas (valgustuses, detailide loendamises) ja telemehaanikas (elektritakistuse vähendamisega), toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel (fototakistiga, fotodioodiga, nõrka valgust fotoelektronkordistiga), kinos, televisioonis, fotograafias, päikesepatareides (hulk omavahel elektriliselt ühendatud fotoelemente; kosmoselaevades, elektrijaamades, ka kosmosesse paigutatavates) jne. Fotoelemendis tekib valguse toimel
erinevusest. 57.Fotodiood. Pooljuhtdiood, mille karakteristikud sõltuvad valgustatusest. F-I tundlikkus oleneb valguse lainepikkusest spektraaltundlikkus on suurim infrapunases spektrialas. F-I vool sõltub valgustatusest suures osas lineaarselt, ajakonstant on alla 10 ns. Kasut kiirguste avastamisel, kujutise edastamisel jne. 58.Fotoelement. Fotoelektriline seadis, mille töö põhineb kaaliumist või baariumist fotokatoodi või pooljuhi valgustamisel tekkival fotoefektil. Vaakuum- ja ioonf-d rajanevad välisfotoefektil, mispuhul katoodile langev valgus põhjustab elektroniemissiooni, fototakistid sisefotoefektil, mis avaldub pooljuhi elektrijuhtivuse suurenemises valguse toimel ergastuvate elektronide ja aukude tõttu. 59.Fototakisti. Kahe elektroodiga pooljuhtfotoelement, mille elektrijuhtivus sõltub seadisele langeva kiirguse intensiivsusest ja spektrist. F-te omadused sõltuvad temperatuurist, neil on suur eritundlikkus ja ajakonstant,
kaasa posistori takistuse suurenemise mille tõttu pääseb baasi väiksem voolutugevus. Mille tulemusena väheneb kollektorivool. Fototakistid Fototakistiks nimetatakse pooljuhtelementi mille takistus väheneb nähtava valguse või infrapuna valguse mõjul. Takistuse muutus põhineb fotoefektil st. elektronide siirdumist kiirguse mõjul juhtivustsooni. Kui fototakisti ühendada jadamisei koormustakistusega ja rakendada sellele ühendusele elektromotoorjõud, siis sõltub koormustakistil tekkiv voolulang fototalisti valgustundliku pinna valgustus tiheduses. Nähtavale valgusele tundlikuks fototakistiks on tablet kujuline valgustundlik element, kaaliumsulfiidist. Infrapunasele tundlikuks fototakistiks on plastplaadil pliisulfiidi kith. Põhiparameetrid: 1
vismutsulfiidist kiirgusele, mille lainepikkus asub infrapunase ja nähtava spektriala piiril, kaadiumsulfiidist nähtavale valgusele. Fototakistitel on suur tundlikkus, nende omadused sõltuvad suuresti temperatuurist, neil on mittelineaarne valguskarakteristik ja kõrge müratase. Kasutatakse leegi kontrollimiseks ja temperatuuri mõõtmiseks. Fotoemissioonandur ehk fotorakk. Fotoemissioonanduri tööprintsiip põhineb ventiilfotoefektil ehk fotoefektil tõkkekihis – kahe pooljuhi või pooljuhi ja metalli kokkupuutepinna valgustamisel tekib elektrimotoorne jõud (fotoelektrimotoorne jõud). Tüüpilise fotorakk on kujutatud joonisel 0.2.18. Läbi õhukese läbipaistva kile langeb valgus pooljuht+metall kihile ja genereerib seal väljundina emj, mis on logaritmiline funktsioon langeva valguse intensiivsusest. Seadmel on kõrge tundlikkus, hea sageduskarakteristika ja kuna on pinge logaritmiline
- valgustundlikud seadised; - valgust emiteerivad seadised; - optronid, milles on ühendatud valgust emiteeriv seadis ja valgustundlik seadis; - valguskiirgust mõjutavad seadised (LCD-paneelid). Optoelektroonika teemal sõna võttes kasutatakse sageli mõistet `fotoelement', mille tähendus on ebamäärane. Üldmõistena võib `fotoelement' tähendada fotoelektrilist seadist, mille töö põhineb fotokatoodi või pooljuhi valgustamisel tekkival fotoefektil. Esimesel juhul on tegemist välisfotoefektiga, teisel juhul sisefotoefektiga. Elektroonika alused. Teema 4 Optoelektroonika elemendid ja infoesitusseadmed 2 (43) Joonis 4.1. Elektromagnetiline spekter [http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum] 4.2 Valgustundlikud seadised Valgustundlike seadiste töö põhineb sise- või välisfotoefektil. 4.2.1 Fotoefekti liigid
Siirde elektriväli viib elektroni ja augu lahku, mistõttu pooljuhitüki otste vahel tekib pinge. Siire hakkab toimima vooluallikana, mis muundab valgusenergiat elektrienergiaks. Optoelektroonika tegeleb optilise ja elektrilise energia vastastikuse muundamisega. Levinumad optoelekt- roonikaseadmed on valgusdiood (päripingestatud pn-siire, mis elektrienergia arvel kiirgab valgust), pooljuhtlaser (laserina töötav valgusdiood) ja fotorakk (pn-siire, mis ventiil-fotoefektil muundab valgusenergiat elektrienergiaks). Lainejada väljendab ettekujutust üksikust footonist. Lainejada veidi erinevate sagedustega komponendid interfereeruvad, moodustades lainepaketi. Valguse faasikiirus vf on kiirus, millega liigub lainepaketi eesmine äär (lainefront). Faasikiirust on eespool nimetatud lihtsalt lainete kiiruseks vf = / T = f = 2 f / (2 / ) = / k.
Siirde elektriväli viib elektroni ja augu lahku, mistõttu pooljuhitüki otste vahel tekib pinge. Siire hakkab toimima vooluallikana, mis muundab valgusenergiat elektrienergiaks. Optoelektroonika tegeleb optilise ja elektrilise energia vastastikuse muundamisega. Levinumad optoelekt- roonikaseadmed on valgusdiood (päripingestatud pn-siire, mis elektrienergia arvel kiirgab valgust), pooljuhtlaser (laserina töötav valgusdiood) ja fotorakk (pn-siire, mis ventiil-fotoefektil muundab valgusenergiat elektrienergiaks). Laetud osakeste võnkumisel tekkiva valguse intensiivsus on võrdeline võnkesageduse neljanda astmega: I = const 4. Soojuskiirguseks nimetatakse optilist kiirgust, mis tekib soojusliikumise energia arvelt. Kui keha tempera- tuur on väliskeskkonna omast kõrgem, siis see keha kiirgab, vastupidisel juhul aga neelab soojus- kiirgust. Soojuskiirgus on tasakaaluline (suurema energiaga taseme hõivatus on alati väiksem).
annaabi.ee 
