ВЪНШЕН ФОТОЕФЕКТ (ФОТОЕМИСИОНЕН ЕФЕКТ), ВЪТРЕШЕН ФОТОЕФЕКТ И ФОТОГАЛВАНИЧЕН (ВЕНТИЛЕН) ЕФЕКТ:
Фотоклетка;
Фотоумножител;
Вътрешен фотоефект (фоторезистори);
Вентилен фотоелемент (фотодиоди, фототранзистори, матрици).
Ако някои метали се облъчат със светлина в условия на вакум, от повърхността им се избиват електрони. Явлението е открито от Хайнрих Херц (1857 - 1894г.) и се нарича външен фотоелектричен ефект. На този принцип работят фотоклетките и фотоумножителите.
Светлината се излъчва на порции - фотони (кванти), като всеки фотон притежава енергия e = hn, където n е честотата на трептенето, а h - константата на Планк = 6.626196*10-34 J s. Попадащите върху металната повърхност фотони са в състояние да придадат на някои от електроните достатъчно енергия, за да се откъснат те от нея, преодолявайки повърхностната електрична потенциална бариера. В този случай енергията на фотона e може да се изрази и като сума от работата A, необходима за да се откъсне един електрон от повърхността (отделителна работа) и максималната стойност на кинетичната енергия mn2/2, придобита от електрона при откъсването си:
e = A + (mn2/2)
където m е масата на електрона = 9.109558*10-31 kg.
Столетов описва особеностите на процеса в четири закона:
1. Скоростта и енергията на избитите електрони зависят от честотата n на светлинните трептения (респ. от дължината на вълната l). При намаляване на тази честота се достига до минимална гранична стойност n0, под която вече не могат да се избият електрони. На тази честота съответства една гранична максимална дължина на вълната l0, наричана червена граница на фотоефекта.
2. Енергията (съотв. и скоростта) на избитите електрони не зависи от интензитета на попадащата върху повърхността светлина. Енергията на електроните зависи само от тази на фотоните, но не и от броя попаднали фотони за единица време (т.е. интензитета).
3. Броят на избитите електрони от определена площ на метала за единица време зависи от интензитета на попадащата светлина.
4. Броят на избитите електрони от определена площ от метала за единица време, при определена постоянна интензивност на попадащата светлина, зависи от честотата n, като намалява до 0 при достигане на червената граница n0 (респ. l0)
или се увеличава с нея.
При фотоклетките, на вътрешната повърхност на вакумиран стъклен балон е нанесен тънък слой метал, метален окис или метал-полупроводник, със малка отделителна работа A (вижте формулата по-горе). Това е фотокатодът. Пред този слой е разположен втори електрод - анод, във вид на рамка, пръстенче или с по-сложна форма. Двата електрода са изведени извън балона. Съществуват фотоклетки с по 2 анода, различно отдалечени от фотокатода или с различаваща се конфигурация и големина, определящи различна чувствителност. Тези фотоклетки имат 3 извода.
При скачване, фотокатодът се свързва с отрицателния полюс на източник на напрежение с U от 150 до 300V, а анодът - с положителния, но през предпазно съпротивление (около 20 килоома) или елемент на изпълнителен механизъм - вход на усилвател, на електронно реле или др.
При осветяване на фотокатода, избитите от него електрони (фотоелектрони) се насочват към анода, поради приложеното между тях напрежение. Фототокът във веригата е пропорционален на интензивността на светлината. Чувствителността на вакумните фотоклетки варира от няколко до около 100 mA/lm.
Съществуват фотоклетки, чиито балони са запълнени с инертен газ с малък йонизационен потенциал - т. нар. газови фотоклетки. При тях избитите от светлината електрони йонизират газа и с това се усилва тока във веригата, т.е. чувствителността им е по-голяма - до около 500 mA/lm.
Фотоумножителите са с далеч по-висока чувствителност. Фотоелектронният умножител представлява вакумирана стъклена тръба, част от вътрешната повърхнот на която е покрита с тънък слой вещество (метал, метален окис или др.) с малка отделителна работа. Както при фотоклетките, това е фотокатодът. Освен него, в тръбата са разположени последователно множество електроди-емитери (диноди), чиято повърхност също е покрита с вещество с малка отделителна работа. В дъното на тръбата се намира електрод-колектор - анод.
При работа, между фотокатода и емитерите се подава високо напрежение - около 1000V, което чрез съпротивления, свързани като делители на напрежение, се разпределя между отделните емитери по около 100V. При осветяване на фотокатода, избитите от него електрони се ускоряват от приложеното напрежение и попадат върху първия емитер (първия динод), като избиват от повърхността му по-голямо количество електрони - вторична емисия. Те на свой ред се насочват към втория емитер, избивайки от него още повече електрони и т.н. Така слабият в началото фототок води до лавинообразно растящ (в геометрична прогресия) електричен сигнал, извеждан през крайния електрод - анода, към входа на електронен усилвател.
Вътрешният фотоелектричен ефект се изразява в промяна на електропроводимостта, респ. на омичното съпротивление на някои вещества (кадмиев сулфид, селенов сулфид и др.), според интензитета на попадащата върху тях светлина. Такива вещества се влагат във фоторезисторите (фотосъпротивленията), използвани като светлочувствителни елементи във фотографските светломери, при различни видове фоторелета и пр.
Поради промяна на енергията на електроните под въздействие на светлината, на границата между метал и полупроводник (злато и селен, мед и меден оксид и др.) или полупроводник - полупроводник (в p-n прехода между тях) възниква електродвижещо напрежение. Това е т. нар. фотогалваничен (вентилен) ефект. Сензорите построени на този принцип стават източници на електрически ток при осветяване (фотодиоди, фототранзистори и др), а чувствителността им е много по-висока от тази на фотоклетките.
Друг вид светлочувствителни сензори са матриците, използвани като фотоприемници в цифровите фотоапарати. Те представляват чип, върху повърхността на който чрез специални технологии са образувани голям брой миниатюрни светлочувствителни елементи (пиксели), плътно подредени един до друг, които трансформират оптично построения върху тях действителен образ в поредица електрически сигнали. С това на практика фотографският образ се превръща в цифрова информация още при заснемането си - във вид на файл, съхраняван в паметта на фотоапарата, с възможност по-късно да бъде прехвърлен в компютър и софтуерно обработван.
Според технологията на изработката си матриците са два типа: CCD (Charge-Coupled Device) и CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). В общия случай CCD-матриците са по-светлочувствителни и с по-нисък електронен шум, което гарантира по-чист и качествен образ, но все още някои модели цифрови фотоапарати (вкл. и професионални) са снабдени с CMOS-матрици, които са по-евтини и с многократно по-ниска консумация на ел. енергия.
Като първи и най-важни параметри за една матрица се дават броя на изграждащите я пиксели и дължината на нейния диагонал, например 8 мегапиксела (8 милиона пиксела) и диагонал 2/3". Вижте Разделителна способност на фотографски носител и Фокална равнина.
Вижте също:
Фотометрични величини: интензивност на светоизточник, светлинен поток и осветеност на повърхност;
Луминесценция (фосфоресценция и флуоресценция);
Пропускливост и екстинкция на вещество, коефициент на поглъщане;
Отразяваща способност на повърхност, закони за отражението и пречупването на светлината;