Честь изобретения фотоэлемента принадлежит русскому ученому Александру Григорьевичу Столетову.

Будучи профессором физики Московского университета, А. Г. Столетов в 1888 г. провел такой опыт (рис. 244).

Рис. 244. Опытная установка А. Г. Столетова (справа рисунок из его сочинения, на котором А — дуговой фонарь; Б — батарея; С — два плоскопараллельных диска; G — гальванометр)

Неподалеку друг от друга он расположил металлический диск и тонкую металлическую сетку, укрепив их на стеклянных стойках. Диск соединил с отрицательным, а сетку — с положительным полюсами батареи. Между сеткой и батареей он включил чувствительный электроизмерительный прибор — гальванометр с зеркальцем на подвижной рамке вместо стрелки. Против гальванометра находился фонарик, а под ним полоса бумаги с делениями — шкала. Пучок света от фонаря направлялся на зеркальце гальванометра, а отраженный от него зайчик падал на шкалу. Даже при незначительном токе зеркальце гальванометра поворачивалось, заставляя световой зайчик бежать по делениям шкалы. На некотором расстоянии от диска и сетки А. Г. Столетов установил другой фонарь, свет которого, пронизывая сетку, освещал диск. Пока шторка дугового фонаря была закрыта, световой зайчик покоился на нуле шкалы. Но стоило шторку приоткрыть, как зайчик тотчас начинал перемещаться по шкале, указывая на наличие тока в, казалось бы, разорванной цепи.

Этот опыт позволил ученому сделать вывод: свет «рождает» электрический ток. Это явление мы теперь называем фотоэлектрическим эффектом (от греческого слова «фото» — свет и латинского слова «эффект» — действие). А. Г. Столетов, кроме того, экспериментальным путем доказал, что некоторые материалы под действием света подобно нагретому катоду радиолампы могут испускать электроны. В его опытах свет выбивал из металлического диска «рой» электронов, который притягивался положительно заряженной сеткой, образуя в цепи электрический ток. Этот ток мы сейчас называем фототоком.

В опытной установке А. Г. Столетов использовал два электрода, подобные электродам двухэлектродной лампы: диск — катод, сетка — анод. Когда диск освещался, в цепи возникал электрический ток, потому что в пространстве между электродами появлялся поток электронов, выбитых светом из диска-катода.

Такая установка и была первым в мире фотоэлементом. Значение фототока такого прибора зависело от свойств металла, из которого был сделан катод, напряжения батареи и освещенности катода.

Катоды современных фотоэлементов делают из полупроводников. При этом образование свободных электронов, способных вылетать из катодов, идет во много раз интенсивнее, чем при использовании катодов из металлов.

Характерным представителем первых светочувствительных приборов был фотоэлемент ЦГ-3, внешний вид и устройство которого показаны на рис. 245, а. Такие фотоэлементы использовались, например, в кинопроекторах для преобразования пучка света, направленного на фонограмму киноленты, в электрический сигнал звуковой частоты. Это небольшая шарообразная стеклянная колба с двумя металлическими цилиндриками — выводами электродов. На внутреннюю поверхность колбы нанесен тончайший слой серебра, называемый подкладкой, а поверх него — слой цезия (буква Ц в названии прибора). Это катод. Он соединен с выводом меньшего диаметра, обозначенным знаком минус. В центре колбочки на стержне укреплено металлическое кольцо — анод. Он соединен с выводом большого диаметра, который обозначают знаком плюс. Колба фотоэлемента наполнена нейтральным газом (буква Г в его названии), благодаря чему можно получить большой фототок. Объясняется это тем, что электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Остатки атомов — положительные ионы — летят к катоду. В результате общее количество электронов, летящих к аноду, получается большим, чем в вакууме.

Возможная схема включения такого фотоэлектрического датчика в электрическую цепь показана на рис. 245, б.

Рис. 245. Газонаполненный фотоэлемент ЦГ-3 (а) и его включение в электрическую цепь (б)

Здесь V фотоэлемент; R_н - eгo нагрузка, U_и.п - источник высокого постоянного напряжения. Ток в цепи с фотоэлементом ЦГ-3 при сильной освещенности катода и напряжении на аноде 250 В не превышает 200 мкА. Но он почти в 200 раз больше тока при полном затемнении фотоэлемента. Это значит, что при перекрывании пучка света, направленного на фотоэлемент, фототок может измениться примерно от 1 до 200 мкА. Но ведь этот изменяющийся фототок можно усилить до значения, способного управлять другим электрическим прибором, например электродвигателем, включая его освещением и выключая затемнением фотоэлемента. Получится фотореле.

Фотоэлемент, о котором я сейчас рассказывал, относится к группе фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Называют их так потому, что у них электроны под действием света вылетают из катода в окружающее их пространство.

Другая группа фотоэлементов — приборы с внутренним фотоэффектом. Это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и некоторые другие светочувствительные приборы.

Фоторезистор (рис. 246) представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенный на стеклянную или кварцевую пластинку, запрессованную в круглый, овальный или прямоугольный пластмассовый корпус небольших размеров.

Рис. 246. Внешний вид (а), схематическое обозначение (б), устройство и включение (в) фоторезистора

Полупроводниковый слой с двух сторон имеет контакты для включения его в электрическую цепь. Электропроводность слоя полупроводника изменяется в зависимости от его освещенности: чем сильнее он освещен, тем меньше его сопротивление и, следовательно, больше ток, который через него проходит. Таким образом, этот прибор под действием света, падающего на него, также может быть использован для автоматического включения и выключения различных электрических приборов, механизмов.

Фотодиод, являющийся светочувствительным элементом с запирающим слоем, по своему устройству напоминает плоскостной полупроводниковый диод (рис. 247).

Рис. 247. Внешний вид (а), обозначение на схемах (б), устройство и схема включения (в) фотодиода

На пластину кремния с электронной электропроводностью наплавлен тонкий слой бора. Проникая в кремний, атомы бора создают в нем зону, обладающую дырочной электропроводностью. Между ними обращается электронно-дырочный переход. Снизу на слой типа n нанесен сравнительно толстый контактный слой металла. Поверхность слоя типа р покрыта тончайшей, почти прозрачной пленкой металла, являющейся контактом этого слоя.

Действует фотодиод так. Пока он не подвергается световому облучению, его запирающий слой препятствует взаимному обмену электронов и дырок. При облучении свет проникает сквозь прозрачную пленку в слой р и рождает в нем электронно-дырочные пары. Дырки остаются в слое р, электроны переходят в слой n. В результате верхний электрод заряжается положительно, а нижний — отрицательно. Если к этим электродам присоединить нагрузку, то через нее потечет постоянный ток. Следовательно, фотодиод является прибором, в котором световая энергия превращается непосредственно в электрическую.