Жан-Поль Эймишен - Электроника?.. Нет ничего проще!
Рис. 22. Фотоэлектрический элемент. Под воздействием света катод испускает электроны, а анод эти электроны собирает.
Н. — Как я вижу, фотоэлемент не так уж сложен. Это просто диод, у которого катод не нагрет, а освещен. Но скажи мне, пожалуйста, почему ты нарисовал анод таким маленьким, как кусочек тонкой проволоки? Его следовало бы сделать значительно больше.
Л. — В этом нет необходимости и, кроме того, не забывай, что анод должен пропускать весь свет и не должен отбрасывать на катод тень. А кроме того, для небольшого анодного тока Ia (который редко достигает десятка микроампер и часто составляет всего лишь доли микроампера) большой анод не нужен.
Н. — До чего же маленькие токи в фотоэлементе. А кроме того, наверно, очень неудобно размещать анод на пути светового потока!
Л. — Как ты увидишь, мы очень легко приспосабливаемся к этим маленьким токам. Что же касается размещения анода, то можно сделать катод полупрозрачным и нанести его фотослой на внутреннюю стенку колбы: лучи света будут падать на фотослой катода с одной стороны (внешней), а электроны вылетать с другой стороны (внутренней), и тогда отпадет необходимость располагать анод со стороны источника света. И уж если мы начали говорить о катоде, позволь мне сказать, что имеется большое количество различных катодов. Катоды из цезия, нанесенного на слой сурьмы, чувствительны к синим и фиолетовым лучам; катоды из цезия, нанесенного на окись серебра, чувствительны в основном к красным и инфракрасным лучам. И наконец, запомни, что анодный ток Iа почти не зависит от анодного напряжения — он зависит только от освещенности катода (эта зависимость почти прямо пропорциональна, что позволяет установить чувствительность фотоэлемента в микроамперах на люмен[7]). В принципе вакуумный фотоэлемент ведет себя примерно так же, как диод в режиме насыщения, ток насыщения которого зависит от температуры нити накала.
Н. — Ты говоришь вакуумные фотоэлементы? Значит, бывают и другие?
Л. — К сожалению, да. Например, газонаполненные фотоэлементы, которые практически идентичны описанным выше, но отличаются от них тем, что в них вводят небольшое количество газа, ионизирующегося под воздействием исходящих с катода электронов. Ионизация газа увеличивает фотоэлектрический ток в несколько раз (может доходить до 4) и…
Н. — Так ведь это просто здорово, если первоначальный ток так мал. Почему же ты сказал «к сожалению»?
Л. — Поэтому что эти фотоэлементы годятся лишь для воспроизводящей головки звукового кинопроекта. Ты, вероятно, знаешь, что в звуковом кино звук чаще всего записывается в виде «звуковой дорожки» — узкой полоски переменной прозрачности, идущей по краю кинопленки. При демонстрации фильма эта дорожка проходит между лампой Л (рис. 23) и фотоэлементом Ф.
Рис. 23. С одного края кинопленки находится звуковая дорожка переменной прозрачности. При движении пленки в кинопроекторе звуковая дорожка в большей или меньшей степени ослабляет световые лучи, идущие от лампы Л к фотоэлектрическому элементу Ф; таким образом воспроизводится ток низкой частоты звукового сопровождения.
Промодулированный дорожкой свет попадает на фотоэлемент, который и преобразует его в электрические сигналы; последние поступают на усилитель. На протяжении многих лет газонаполненные фотоэлементы вытесняли все другие. Однако они очень недолговечны; их чувствительность изменяется во времени и зависит от температуры, а из-за запаздывания ионизации или деионизации они не могут правильно воспроизводить очень быстрые изменения света (уже на частоте 10 кгц они создают потери 3 дб)…
Н. — Достаточно, не выдвигай других обвинений. Для меня газонаполненные фотоэлементы осуждены окончательно и без права обжалования приговора. И сожалею только о том, что, кроме вакуумных фотоэлементов, нет никаких других приборов, чувствительных к свету.
Светочувствительные приборы
Л. — Твои сожаления совершенно излишни. Уже существует великое множество светочувствительных приборов. В первую очередь следует назвать фоторезисторы; некоторые вещества, в частности сульфид свинца, сульфид кадмия, а также селениды и антимониды, после соответствующей обработки обладают определенным электрическим сопротивлением, изменяющимся в зависимости от освещения. Но из этих веществ не всегда можно сделать настоящие резисторы; некоторые из них представляют собой полупроводники (протекающий по ним ток не пропорционален приложенному напряжению). Кроме того, они могут отличаться большой инерционностью (несколько десятых долей секунды). Поэтому фоторезисторы мало пригодны для измерения света, но прекрасно служат, когда нужно включить реле (рис. 24).
Рис. 24. При освещении фоторезистора его сопротивление снижается, и проходящий по нему ток может без дополнительного усиления включить реле.
Н. — Я думаю, что это как раз то, чего мне не хватало для моей системы охраны ювелирного магазина от воров.
Л. — Совершенно верно, особенно если учесть, что фоторезисторы достаточно чувствительны к инфракрасным лучам.
Н. — Опять эти инфракрасные лучи! Что это такое и как их получают?
Л. — Здесь нет ничего таинственного. Инфракрасные лучи располагаются в спектре немного дальше красных лучей в сторону более низких частот (более длинных волн). Наш глаз не может их увидеть, но некоторые фотоэлементы, чувствительны к ним так же, как к видимому свету. Для получения инфракрасных лучей используют простую лампу накаливания и фильтр, задерживающий все видимые световые лучи и пропускающий только инфракрасные. Таким образом, ты можешь получить луч невидимого света, который можно обнаружить вакуумным фотоэлементом с катодом, чувствительным к инфракрасным лучам; такой катод состоит из слоя цезия, нанесенного на пластинку из окиси серебра. Обычно фирмы, выпускающие фотоэлементы, называют эти катоды «катодами Si». Ты можешь также использовать фоторезистор, и никто не сможет увидеть твоей системы предупреждения.
Н. — Это, действительно, очень практично. Назови мне, пожалуйста, другие преобразователи света — я догадываюсь, что их должно быть немало!
Фотодиоды
Л. — О, да! Действительно имеется очень большое количество других. Но я назову тебе лишь фотодиоды (рис. 25). Это плоскостный диод из германия или кремния, имеющий зону n и зону р. Если зону р сделать положительной относительно зоны n, то ток свободно пройдет. А если подать обратное смещение, то ток не пройдет…
Рис. 25. Так обозначается на схемах фотодиод.
Н. — Как и в любом диоде из порядочной семьи!
Л. — Да, но этот диод «из порядочной семьи» набирается дурных идей, когда на его переход попадает свет: удары фотонов (частичек света) порождают на переходе пары «электрон — дырка», и диод ведет себя так, как если бы появился «ток утечки», впрочем, мало зависящий от напряжения.
Н. — Диод меня побери! Ты объяснил мне одно явление, которого я никак не мог понять: однажды я сделал универсальный измерительный прибор с гальванометром и четырьмя плоскостными германиевыми диодами и заметил, что при измерении переменных напряжений мое сооружение утром работает плохо, а во второй половине дня намного лучше. Окна моей лаборатории обращены на восток, и утром солнце сильно освещало диоды.
Л. — Это может служить объяснением. Но возможно также, что причина заключается в нагревании твоих диодов. Их предохраняют от воздействия света, покрывая черной краской.
Н. — Да, сначала краска была, но я ее соскоблил, чтобы посмотреть, что находится внутри.
Л. — Весьма поучительная история — любопытство всегда наказывается. Фотодиод интересен тем, что он часто в 300 раз более чувствителен, чем лучший из вакуумных фотоэлементов. А кроме того, он отличается малой инерционностью и легко воспроизводит изменения света со скоростью до 100 000 периодов в 1 сек. Основной его недостаток, общий для всех полупроводниковых приборов, — чувствительность к повышению температуры.
Н. — В 300 раз чувствительнее лучших вакуумных фотоэлементов! Да это просто чудо! Фотодиоды можно использовать только в сумерках!
