Photozelle

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Eine Photozelle oder Fotozelle ist ein früher häufig verwendetes Nachweis- und Messgerät für Licht. Die Photozelle wurde 1893 von Hans Geitel und Julius Elster erfunden, um die Intensität des Lichtes messen zu können. Sie besteht aus zwei Elektroden in einem evakuierten Glasgefäß und wird in weiterem Sinn zu den Elektronenröhren gezählt.

Photozellen werden heute nur noch in modifizierter Form bzw. als Bestandteil des Photomultiplier oder von Restlichtverstärkern eingesetzt. Bei Lichtschranken, der Abtastung des Lichttons auf Kinofilmen und Lichtsensoren sind sie weitgehend von Photodioden und Phototransistoren abgelöst worden. Nach dem Prinzip der Photozellen (d. h. mit Photokathoden) arbeitende Fernsehkameras wie Vidicon sind bis auf Ausnahmefälle, wie dem Einsatz unter radioaktiver Strahlung, durch CCD- und CMOS-Bildsensoren abgelöst worden.

Photozelle, Länge ca. 90 mm; die Anode ist ein Drahtbügel, die Photokathode wird durch den rückseitig innen mit Metall beschichteten Glaskolben gebildet

Aufbau

Die beiden Elektroden unterscheiden sich in Aufbau und Anordnung:

• Die Kathode besteht aus einem möglichst unedlen Metall (z. B. Caesium oder Radium mit besonders geringer Austrittsarbeit), aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können, falls die Energie des Lichtes ausreichend groß ist (Äußerer Photoelektrischer Effekt). Aus diesem Grund heißt sie auch Photokathode.
• Die Anode ist meist ein Drahtring, der nicht vom Licht getroffen werden soll. Die Anode soll die aus der Kathode ausgelösten Elektronen aufsammeln und wird deshalb meist positiv aufgeladen.

Betrieb mit Saugspannung

Wird zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt, wobei der positive Pol der externen Spannungsquelle an die Anode und der negative Pol an die Kathode angeschlossen wird, so werden die vom Licht freigesetzten Elektronen zur Anode hin beschleunigt und es kann ein elektrischer Strom (Photostrom) von einigen Mikroampere gemessen werden.

• Bei kleiner Spannung ist der Photostrom etwa proportional zur angelegten Spannung, der Proportionalitätsfaktor hängt von der Belichtungsintensität ab. Bei geringen Spannungen reicht die elektrische Feldstärke zwischen Kathode und Anode nicht aus, um alle aus der Kathode austretenden Elektronen durch die Anode abzusaugen und damit zum Photostrom beitragen zu lassen.
• Bei höheren Spannungen steigt der Photostrom bis zu einem Grenzwert an, man spricht von Sättigung. Dann werden alle Elektronen von der Anode abgesaugt, die an der Photokathode durch das Licht freigesetzt werden. Bei weiterer Erhöhung der angelegten Spannung steigt der Strom nicht weiter an.

Betrieb mit Gegenspannung

Auch wenn keine Spannungsquelle mit der Photozelle verbunden ist, bildet sich zwischen Anode und Kathode bei Belichtung eine geringe Spannung von etwa einem Volt aus. Die Photozelle arbeitet als Stromquelle, weil manche der ausgelösten Elektronen auf der Anode landen und nicht mehr zur Kathode zurückkehren können. Deshalb lädt sich die Anode negativ auf, die Kathode positiv. Die Spannung bildet sich aus, weil das Licht (genügend hohe Frequenz und damit Energie vorausgesetzt) Elektronen aus der Photokathode herausschlägt. Diese Elektronen besitzen eine kinetische Energie, die der Differenz zwischen der Quantenergie h•f des Lichtes und der Austrittsarbeit W₀ des Elektrons aus dem Kathoden-Metall entspricht. Dies folgt unmittelbar aus dem Energieerhaltungssatz.

E_kin = h•f - W₀ (1)

Die freien Elektronen treffen (teilweise) auch auf die Anode und laden diese negativ auf. Es bildet sich ein elektrische Feld und eine damit verbundene elektrische Spannung zwischen Kathode und Anode aus. Mit jedem weiteren auf die Anode treffenden Elektron vergrößert sich zunächst diese Spannung, wodurch nachfolgende Elektronen immer mehr Energie benötigen, um die Anode noch zu erreichen. Schließlich ist die Spannung so groß, dass die Energie der neu herausgelösten Elektronen nicht mehr ausreicht, um die Anode erreichen zu können - die Spannung bleibt nun konstant und wird "Photospannung" genannt. Im Gleichgewichtsfall ist die kinetische Energie der Elektronen so groß wie die Arbeit, die sie auf dem Weg von der Kathode zur Anode im elektrischen Feld verrichten müssen, d.h.

E_kin = e•U_photo (2)

Kombiniert man die beiden Gleichungen (1) und (2), so erhält man: U_photo = f•h/e - W₀/e

Die Photospannung steigt somit linear mit der Frequenz des einfallenden Lichts an.

Abgrenzung: aus Halbleitern aufgebaute Photoempfänger zählen zu den Halbleiterdetektoren, es sind z.B. Photodioden, Photowiderstände oder Solarzellen – diese werden nicht als Photozellen bezeichnet.