Célúla Fotoeléctrica CIENCIA

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Ciencia

Los dispositivos fotoeléctricos (v. FOTOELECTRICIDAD) se pueden clasificar, de acuerdo con la forma en que se ven afectados por la incidencia de una radiación luminosa, en fotoemisivos, fotoconductivos y fotovoltaicos.

Células emisivas. Los dispositivos fotoemisivos, más que células, son tubos de vacío o de gas (v. VÁLVULAS II), en los que la emisión de electrones desde la superficie del cátodo está provocada por la incidencia de una radiación luminosa sobre la citada superficie. Un fototubo está constituido por dos electrodos denominados cátodo y ánodo, encerrados en una ampolla de vidrio, donde, o bien se ha efectuado el vacío siendo entonces un fototubo de vacío, o bien existe un gas inerte, siendo en este caso un fototubo de gas. El cátodo generalmente posee la forma de medio cilindro, como se indica en la fig. 1, y en su superficie interna está recubierto de una capa de material altamente fotoemisivo tal como cesio u óxido de cesio. El ánodo es, por regla general, filiforme y está colocado en el eje del cilindro. Esquemáticamente un fototubo se representa en la forma indicada en la fig. 2a, si es de vacío, o en la 2b si es de gas.

Cuando entre el ánodo y el cátodo se establece una diferencia de potencial, de tal forma que el ánodo queda positivo con respecto al cátodo, los electrones emitidos por éste, como consecuencia de la radiación luminosa que incida sobre él, son atraídos hacia el ánodo, que los recoge gracias a la acción del campo eléctrico que existe entre ambos electrodos, creado por la diferencia de potencial aplicada. Si se dispone un amperímetro en serie con una batería y el fototubo, tal como se indica en la fig. 3, aquél detectará el paso de la corriente eléctrica. Para una intensidad de iluminación determinada, al ir aumentando la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo, desde cero, la intensidad de la corriente que marque el amperímetro irá aumentando hasta alcanzar un valor de saturación. A partir del valor del voltaje para el que sucede esto, cualquier aumento de tensión aplicada no irá acompañado del correspondiente aumento de corriente. Esto se debe a que para los valores pequeños del voltaje no todos los electrones emitidos por el cátodo alcanzan el ánodo, y, a partir del valor en que se produce la saturación, todos los electrones emitidos por el cátodo son recogidos por el ánodo y cualquier aumento de potencial no hace que se recojan más. Cuanto mayor es la intensidad de iluminación, mayor es la corriente de saturación. De acuerdo con esto, las curvas características de un fototubo de vacío son como las indicadas en la fig. 4, donde los valores que aparecen se pueden considerar como valores típicos.

Un fototubo de gas posee una constitución y principio de funcionamiento totalmente análogos a un fototubo de vacío, pero la inclusión de un gas dentro de la ampolla de vidrio puede dar lugar a la aparición de un nuevo fenómeno, el de descarga en un gas, que modifica sensiblemente la forma de las curvas características. Para diferencias de potencial pequeñas, las curvas características de un fototubo de gas son análogas a las de un fototubo de vacío, ya que, aunque en este caso los electrones en su recorrido desde el cátodo hasta el ánodo van chocando con las moléculas del gas encerrado, la energía que pueden adquirir entre choque y choque no es lo suficientemente elevada como para provocar la ionización (v.) de las moléculas del gas, siendo los choques elásticos. A medida que se va aumentando la diferencia de potencial, se va haciendo mayor el número de choques, que dejan de ser elásticos y provocan la ionización de las moléculas del gas, dando con ello lugar a la aparición de nuevos electrones y iones positivos, lo que significa un aumento del número de portadores de carga y de la intensidad de la corriente que circula, adoptando las curvas características la forma indicada en la fig. 5.

Fotomultiplicadores. Este dispositivo que englobamos dentro de los elementos fotoemisivos, utiliza para su funcionamiento no sólo la emisión fotoeléctrica, sino también la emisión secundaria, es decir, la provocada por el impacto de los electrones de procedencia fotoeléctrica sobre sustancias adecuadas. Los fotomultiplicadores constan de una serie de electrodos (alrededor de 10), uno de los cuales es fotoemisivo y recibe el nombre de cátodo, denominándose los restantes dinodos, excepto el último que es el ánodo o placa.

Entre el cátodo y los diferentes dinodos se establecen diferencias de potencial de tal forma que los electrones liberados desde el cátodo por efecto fotoeléctrico se recogen en el primer dinodo, produciendo, al chocar con la superficie, la emisión de electrones secundarios en número superior al de incidentes. A su vez, estos electrones son atraídos por el segundo dinodo donde vuelven a producir una emisión aún mayor de electrones secundarios, y así sucesivamente hasta llegar al último dinodo. De esta manera la corriente producida por emisión fotoeléctrica se multiplica debido a la emisión secundaria, lo que justifica el nombre con que se conocen estos dispositivos, cuyo principio de funcionamiento, cuando el foco luminoso es extraordinariamente débil, se encuentra representado en forma gráfica en la fig. 6.

Aplicaciones de los fototubos. Las aplicaciones de los fototubos son muy variadas y genéricamente puede decirse que tienen su campo de utilización en todos aquellos dispositivos que de una forma u otra necesitan convertir una intensidad luminosa en una corriente eléctrica, bien para medir aquélla simplemente o para conseguir, a partir de sus variaciones, acciones de otro tipo, como mecánicas, p. ej. El circuito básico de utilización de un fototubo es el indicado en la fig. 7. En él, la intensidad de la corriente que pasa por la impedancia Z es función de la intensidad luminosa que incide sobre el fotocátodo. Si se mide la intensidad de la corriente eléctrica, conociendo las características del fototubo podremos conocer la intensidad luminosa que reciba el fotocátodo. En algunas ocasiones, la impedancia Z puede representar el devanado de un relé, que puede estar abierto o cerrado según la intensidad de la corriente que por él circule, transformándose una variación de intensidad luminosa en otra acción, en este caso, la de apertura o cierre del relé, que puede dar lugar posteriormente a acciones más complejas.

Células fotoconductivas. La resistencia que presenta al paso de la corriente eléctrica un material semiconductor (v.), depende de la densidad de portadores libres de carga eléctrica existentes en las bandas de conducción y de valencia. Algunos materiales semiconductores, tales como el cadmio o el selenio, poseen la propiedad de variar considerablemente el número de portadores libres, cuando varía la intensidad luminosa que incide sobre ellos, debido a que la energía de los fotones incidentes libera electrones capaces de intervenir en el proceso de la conducción eléctrica. Esto da lugar a una disminución de la resistencia eléctrica a medida que aumenta la intensidad de la radiación luminosa que incide sobre el material.

Las c. fotoconductivas están basadas en este principio y presentan variaciones de resistencia que van desde unos 10 Mf1 (megaohmios) cuando se encuentran en la oscuridad, hasta 1 Mf1, aproXImadamente, cuando están expuestas a la luz normal. Esta relación entre los valores máXImo y mínimo de la resistencia de una c. fotoconductiva se ha incrementado, hasta alcanzar valores de 105, utilizando como material fotoconductivo sulfuro de cadmio con inclusión de impurezas tales como plata o antimonio. Las intensidades de corriente que pueden circular por estas fotocélulas son relativamente pequeñas, pues vienen limitadas por su poder de disipación que es notablemente bajo.

La forma de utilización de las c. fotoconductivas como elementos de circuito es totalmente análoga al de las c. fotoemisivas, ya que lo mismo que en el caso de éstas, es posible controlar la corriente eléctrica que pasa a través del circuito que contiene la c. fotoconductiva, a partir de la intensidad de la radiación luminosa que incide sobre ésta.

El mecanismo, en virtud del cual las c. fotoconductoras varían en resistencia eléctrica, impone a éstas una limitación en cuanto a su utilización en altas frecuencias. En los fotoconductores existe un retardo apreciable entre el instante en que, p. ej., cesa de incidir la radiación luminosa sobre dicho elemento y el instante en que éste adopta el valor resistivo correspondiente a la oscuridad. Esto se debe a que los electrones libres, creados por los fotones incidentes, no desaparecen instantáneamente al suprimir la causa que los produjo, sino que tardan algún tiempo en desaparecer. Consecuentemente, el rango superior de frecuencia de utilización de las células fotoconductivas viene limitado por este hecho, pudiéndose decir que está alrededor de los 700 c/seg.

Células fotovoltaicas. Las c. fotovoltaicas son elementos capaces de producir una diferencia de potencial entre sus extremos cuando están sometidos a la incidencia de una radiación luminosa. Para conseguir esto, las c. fotovoltaicas constan de una lámina de un compuesto, p. ej., óxido de cobre, montada sobre una base de un metal que puede ser cobre. La radiación luminosa que incide sobre la lámina de óxido de cobre, provoca la ionización de los átomos de éste, y algunos de los electrones liberados pueden adquirir suficiente energía como para atravesar la base de cobre, creándose así una concentración de cargas negativas, que originan la aparición de una diferencia de potencial entre la base de cobre y la lámina de óxido de cobre. Puesto que la luz debe atravesar el espesor de óxido de cobre para excitar átomos próXImos a la superficie de separación de la base y la lámina, las longitudes de onda más cortas son absorbidas, y la sensibilidad mayor de estas c. fotovoltaicas se encuentra en el extremo rojo del espectro luminoso. Una c. fotovoltaica de este tipo puede liberar únicamente una potencia pequeña, del orden de los 10-4 vatios para una intensidad luminosa de unos 1,5 lúmenes. A pesar de ello, este tipo de dispositivo ha encontrado gran aplicación en toda clase de medidores de intensidad luminosa para fotografía.

Lac curvas características de estos elementos en las que se representa la intensidad de la corriente en función de la intensidad luminosa para diversos valores de la resistencia de carga, muestran que la zona lineal de la característica es tanto más grande cuanto menor es la resistencia de carga. Por tanto, si una c. fotovoltaica se quiere utilizar como medidor de intensidad luminosa dentro de un amplio margen, debe disponerse con la resistencia de carga lo menor posible.

V. t.: ELECTRÓN;FOTOELECTRICIDAD;LUZ; IONIZACIÓN;SEMICONDUCTORES.

V. ALEIXANDRE CAMPOS.

BIBL.: T. S. GRAY, Electrónica aplicada, Barcelona 1959; F. H. MITCHELL, Fundamentals, o/ Electronics, Londres 1959; H. DE WAARD y D. LAZARUS, Modern Electronics, Londres 1959; MILLMAN-HALXIAS, Electronic devices and circuits, Nueva York 1967.