سلول های فتوالکتریک از نگاه نزدیک

سلول‌های فتوالکتریک و یا فتوسل‌ها،‌ دستگاه‌هایی هستند که با توجه به میزان نوری که به آن‌ها برخورد می‌کند، ویژگی‌های الکتریکی متفاوتی دارند. دو نوع اساسی ساخته شده از نیمه هادی‌ها وجود دارند: سلول‌های فتو ولتائیک و سلول‌های حساس نوری. phototube، یک نوع قدیمی سلول فتوالکتریک، گونه ای از لامپ الکترون است. در ادامه با دیجی اسپارک همراه باشید.

سلول فتو ولتائیک یک دستگاه نیمه هادی است که نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سلول‌های فتو ولتائیک در یک باتری خورشیدی معمولا تشکیل شده از wafer سیلیکون که به شکل نیمه هادی نوع N تحت پوشش یک لایه بسیار نازک از مواد نوع p می‌باشد. هنگامی که نور به wafer برخورد می‌کند، جفت الکترون‌های آزاد و حفره‌ها تشکیل می‌شوند. بعضی از نورها در سطح wafer نفوذ کرده و حفره‌ها و الکترون‌های آزاد را در نزدیکی اتصال PN بوجود می‌آورند. میدان الکتریکی که به طور طبیعی در سراسر محل اتصال وجود دارد، تمایل دارد که الکترون‌ها را به سمت ناحیه N و حفره‌ها را به سمت ناحیه P سوق دهند. اگر دو منطقه از طریق یک مدار خارجی به یکدیگر متصل شوند، الکترون‌ها از منطقه نوع N توسط مدار خارجی به منطقه نوع P جریان خواهند یافت.

سلول‌های حساس نوری، دستگاه‌هایی نیمه هادی و دارای حساسیت به نور هستند که محل اتصال PN ندارند. هنگامی که نور به سلول‌های حساس نوری برخورد می‌کند، حفره و الکترون‌های آزاد ایجاد می‌شوند که باعث تضعیف مقاومت الکتریکی نیمه هادی می‌شود. اگرچه سلول نمی‌تواند تولید برق کند، می‌توان آن‌را با یک منبع قدرت خارجی برای تولید یک سیگنال الکتریکی مورد استفاده قرار داد، چون مقاومت نیمه هادی با مقدار نوری که به آن می‌تابد تغییر می‌کند. سلول‌های حساس نوری در انواع خاصی از اندازه‌ها در سوئیچ‌های نوری که به طور خودکار در شب هنگام و در دستگاه‌های دیگر روشن می‌شوند، ارائه می‌شود.

Phototube ها لوله‌های خلاء‌ای هستند که جریان را تنها در صورت برخورد نور عبور می‌دهند. phototube ها در سایر دستگاه‌های علمی و سایر دستگاه‌ها مورد استفاده بوده‌اند، اما تا حد زیادی با سلول‌های حساس نوری که وطایف مشابهی را انجام می‌دهند، جایگزین شدند. لامپ‌های سه قطبی، لوله‌های خلاء‌ای هستند که با مدارات مناسب، تقویت سیگنال‌های الکتریکی را خواهند ساخت. امروزه آن‌ها کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند،‌ اما از لحاظ تاریخی دارای اهمیت هستند. لامپ سه قطبی شامل سه الکترود – یک کاتد، شبکه و آند مهر و موم شده در یک ظرف تخلیه می‌باشد. شبکه یک صفحه نمایش استوانه‌ای است که ساخته شده از شبکه فلزی‌ای است که کاتد را احاطه کرده است. آند یک صفحه فلزی استوانه‌ای است که محصور بین دو عنصر دیگر است.

در طی عملیات از یک لامپ سه قطبی، کاتد گرم می‌شود و الکترون‌ها را منتشر می‌کند. حرارت توسط یک رشته سیم محصور، هنگامی که از آن جریان عبور می‌کند و باعث گرم شدن سیم می‌شود، تامین می‌شود. صفحه همیشه در ولتاژی بالاتر از ولتاژ کاتد قرار دارد، بنابراین الکترون‌ها را از کاتد به طرف خود جذب می‌کند. حرکت الکترون‌ها بین کاتد و صفحه توسط تغییرات ولتاژ در شبکه تنظیم می‌شوند. هنگامی که شبکه در ولتاژی پایین‌تر از ولتاژ کاتد قرار می‌گیرد، جریان الکترون‌ها از کاتد به صفحه را مسدود می‌کند. همانطور که ولتاژ شبکه به ولتاژ کاتد نزدیک می‌شوند، الکترون‌های کمتری مسدود می‌شوند و جریان لامپ سه قطبی افزایش می‌یابد. در سطوح ولتاژ، درست در زیر ولتاژ کاتد، تغییرات کوچک ولتاژ شبکه منجر به تغییرات بسیار بزرگ در جریان لامپ سه قطبی می‌شود. به این ترتیب سیگنال‌های ضعیف حاصل از شبکه توسط مدار کاتد – صفحه تقویت می‌شوند.

ضبط تصویری قطعات الکترونیکی، در دوربین‌های ویدئویی و دیگر کاربردهای الکترونیکی مهم هستند. این اجزا شامل انواع لامپ‌های تصویری و دستگاه‌های نیمه هادی که دستگاه شارژ همراه نامیده می‌شوند ( CCD )، هستند. لیزر( laser ) و میزر ( maser )ها دستگاه‌های الکترونیکی است که برای تولید پرتوهای بسیار یکنواخت امواج الکترومغناطیسی می‌باشند. یک لیزر پرتویی از نور می‌سازد و یک میزر پرتویی از تشعشع ماکروویو می‌سازد. علاوه بر لامپ سه قطبی، انواع دیگری از لامپ‌های الکترونی وجود دارند که به طور گسترده قبل از توسعه دستگاه‌های نیمه هادی، مورد استفاده قرار می‌گرفتند. این دستگاه‌ها شامل دیود لامپ خلا (که عملکرد آن شبیه به یک نیمه هادی است)، pentode لوله خلا ۵ الکترودی که عملکردی شبیه ترانزیستور دارد و ‌thyratron که عملکرد آن مانند یک تریستور می‌باشد.

اگرچه محصول الکترونیکی ممکن است شامل تعداد زیادی از اجزا و یا قطعات باشد،‌ تعدادی از انواع مختلف این اجزا نسبتا کوچک هستند. اجزای اصلی مشابه می‌توانند در راه‌های مشخص برای انجام یک تنوع بزرگ از عملکردها با هم ترکیب شوند. در این بخش بسیاری از دستگاه‌های مختلف بنیادی الکترونیکی و عناصر مدار که به عنوان اجزای اصلی الکترونیکی بکار گرفته می‌شوند، شرح داده شده اند.