Fotočlánky Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického.

Prezentace na téma: "Fotočlánky Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického."— Transkript prezentace:

1 Fotočlánky Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Obrázky solárních panelů (problematice souvislosti solárních panelů a fotoelektrického jevu se budeme dále v prezentaci věnovat věnovat).

2 Principy fotočlánků Fotodiody Schéma fotodiody
Dnes nejčastěji používané detektory do fotočlánků jsou fotodiody. Asi nejvíce spolehlivé a všestranně použitelné jsou křemíkové fotodiody. Ačkoli ze všech polovodičů převládá jasně křemík, někdy se používají i jiné polovodiče (např. InGaAs pro vyšší vlnové délky). Povrch citlivý na světlo tvoří vrstva P, jejíž tloušťka je 1 μm nebo méně. Změnou tloušťky P, N, N+ vrstvy (viz obr.), vhodnou volbou polovodiče a koncentrací příměsí lze měnit spektrální a frekvenční citlivost. PN přechod pracuje jako fotoelektrický měnič, kde vzniká proud úměrný příslušné osvětlenosti: po absorbování fotonu se vytvoří pár elektron-díra, elektrony přechází do N vrstvy, díry do P vrstvy, vzniká proud (fotovoltaický jev). Parametry fotodiod jsou především citlivost, proud za tmy, doba náběhu, prostorová rovnoměrnost odezvy a další. Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Obrázky solárních panelů (problematice souvislosti solárních panelů a fotoelektrického jevu se budeme dále v prezentaci věnovat věnovat).

3 Principy fotočlánků Emisní fotonky jsou fotočlánky, u nichž se využívá vnějšího fotoelektrického jevu, kdy světlo působí emisi elektronů z povrchu elektrody ve vakuu nebo v plynném prostředí. Anoda je tvořena drátěnou smyčkou či síťkou, katodu tvoří na světlo citlivá kovová vrstva z alkalických prvků nanesená na vnitřní stěně skleněné baňky. Emisní fotonky vyžadují vnější napájecí zdroj. U vakuových fotonek bývá citlivost až 100 μA/lm, u fotonek plněných plynem až 200 μA/lm. Pro přesná fotometrická měření jsou vhodné zejména vakuové emisní fotonky, především díky vysoké stabilitě, bez setrvačnosti a lineární závislosti fotoproudu na osvětlení. K přizpůsobení spektrální citlivosti emisní fotonky křivce spektrální citlivosti normálního pozorovatele se většinou používá kapalinových filtrů. Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Obrázky solárních panelů (problematice souvislosti solárních panelů a fotoelektrického jevu se budeme dále v prezentaci věnovat věnovat).

4 záření dopadající na katodu uvolněné elektrony
fotonka záření dopadající na katodu uvolněné elektrony skrz záporně nabitou mřížku elektrony s dostatečnou energií se dostanou až na anodu vzniká elektrický proud, měříme galvanometrem množství fotoelektronů je závislé na intenzitě záření energie elektronů závislá na frekvenci Z fyzikálního hlediska se podíváme podrobněji na vnější fotoefekt. Ten je možné zkoumat pomocí speciální fotonky. Záření dopadá okénkem O (které je propustné i pro UV část spektra) na fotokatodu K a uvolňuje z ní elektrony. Ty putují k anodě A a vzniklý proud v obvodu lze měřit galvanometrem G. Na mřížku M je možné přivést záporné napětí, které brzdí vylétávající elektrony a propouští jen elektrony od určité energie, kterou lze tímto způsobem měřit. Často se elektronům uvolněným z katody při fotoelektrickém jevu říká fotoelektrony. Jedná se běžné elektrony – název pouze napovídá, že vznikly při absorpci fotonu. Na základě představ klasické fyziky se zdálo, že s rostoucí intenzitou dopadajícího záření (tj. energie dopadající za jednotku času na jednotku plochy) se budou elektrony uvolňovat snadněji z povrchu kovu a budou mít i vyšší energii. Experimenty ale prokázaly, že na intenzitě záření závisí jen množství uvolněných elektronů, ale nikoliv energie jednotlivých elektronů. Ta je určena pouze frekvencí použitého záření. Tento poznatek nebylo možné vysvětlit klasickou fyzikou. Na ilustrativním obrázku je znázorněn princip fotoefektu na fotonce.

5 Principy fotočlánků Fotoelektrické násobiče jsou emisní fotonky, u nichž se primární fotoelektrický proud několikrát zesiluje sekundární emisí. Fotoelektrické násobiče vyžadují pro měření vysoce stabilizovaný zdroj vysokého napětí. Závislost fotoproudu na osvětlenosti je podobná jako u emisních fotonek, nicméně stabilita je horší. Fotoelektrické násobiče se používají jen při velmi nízkých hodnotách měřené veličiny. Fotoelektrický jev byl poprvé popsán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Obrázky solárních panelů (problematice souvislosti solárních panelů a fotoelektrického jevu se budeme dále v prezentaci věnovat věnovat).

6 Praktické použití vnější fotoefekt vnitřní fotoefekt fotodioda
detektory elektronové násobiče, fotonásobiče vnitřní fotoefekt fotometry, expozimetry CCD panely solární panely V praxi se potom používá dvou variant fotoefektu: vnější fotoefekt - ve fotodiodě dopadající záření uvolňuje elektrony z fotokatody pokryté vrstvou alkalického kovu (cesium, …) vnitřní fotoefekt - elektrony jsou uvolňovány uvnitř polovodičového krystalu (selen, sulfid kademnatý, …), a tak se zvyšuje jeho vodivost V obou uvedených případech začíná po dopadu záření na fotokatodu obvodem protékat elektrický proud. V hradlových fotočláncích (vnitřní fotoefekt) dopadá záření na rozhraní polovodičů typu N a P a vyvolává přímo elektromotorické napětí. Energii dopadajícího záření je tak možné transformovat na energii elektrickou. Fotoefekt (hlavně vnitřní) má dnes velké technické využití. Na jeho základě jsou konstruovány fotometry a expozimetry, zařízení automatické ochrany, ovládání mechanismů a počítání výrobků, využívá se v televizních kamerách (zejména CCD panely), v kopírkách, fotočlánky se užívají ve slunečních bateriích na palubě umělých družic a ve sluneční energetice. Ve vojenství na principu fotoefektu pracuje dalekohled pro noční vidění, při zpracování naměřených dat z experimentů v částicové fyzice se využívá fotonásobič, … Na ilustrativních obrázcích jsou fotodioda, expozimetr, CCD panel a první fotovoltaická elektrárna na území Olomouce ve Chvalkovicích [6].

7 CCD panel snímání obrazové informace
videokamery, digitální fotoaparáty, faxy, scannery, čtečky čárových kódů… Charge-Coupled Device praktická aplikace fotoefektu konstrukce lineární (čtečky čárových kódů, …) plošné (digitální fotoaparáty, …) CCD je elektronická součástka používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve videokamerách, digitálních fotoaparátech, faxech, scannerech, čtečkách čárových kódů, ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické dalekohledy (včetně například Hubbleova teleskopu). Zkratka CCD pochází z anglického Charge-Coupled Device, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji. [4] CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomu dokáže převést některý z jeho elektronů ze základního do tzv. excitovaného stavu. Odevzdá mu přitom energii E = f.h, kde f je frekvence fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je tzv. Planckova konstanta. V polovodiči se takto uvolněný elektron může podílet na elektrické vodivosti, respektive je možno ho z polovodiče odvést pomocí přiložených elektrod, tak, jak se to děje například u běžné fotodiody. Ta proto po dopadu světla vyrábí elektrický proud. Základní princip práce CCD je poměrně jednoduchý — přicházející světlo vytváří v polovodiči elektrický náboj (elektrony). Elektrony se nemohou volně pohybovat po čipu, neboť na čipu jsou vytvořeny svislé negativní potenciálové valy (odpuzující elektrony). Systém vodorovných elektrod, rovněž s negativním nábojem, vytváří na čipu mřížku tzv. „potenciálových studní“, z nich elektrony nemohou uniknout. Každá potenciálová studna vytváří reprezentuje jeden obrazový bod (tzv. „pixel“ z anglického picture element), tedy nejmenší čtvereček obrazu. Počet pixelů v horizontálním a vertikálním směru stejně jako velikost pixelu tvoří jedny z nejzákladnějších charakteristik CCD čipu. Pixely vystavené většímu množství světla naakumulují více elektronů a naopak. Jedna ze základních výhod CCD čipů ve srovnání s lidským okem tedy je schopnost akumulace náboje po dlouhou dobu. CCD tak mohou postupně nashromáždit dostatek světla i z velmi slabých světelných zdrojů [10]. Na obrázku CCD pro barevné snímání obrazu ve videokameře s malým rozlišením.