Fotozelle

Eine Fotozelle bzw. Photozelle ist ein früher häufig verwendetes Nachweis- und Messgerät für Licht. Es besteht aus zwei Elektroden in einem evakuierten Glasgefäß und wird in weiterem Sinn zu den Elektronenröhren gezählt.

Fotozelle, Länge ca. 90 mm; die Anode ist ein Drahtbügel, die Foto-Kathode 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 mit besonders geringer Austrittsarbeit), aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können, falls die Energie des Lichtes ausreichend groß ist (Äußerer Fotoelektrischer Effekt). Aus diesem Grund heißt sie auch Fotokathode.
• 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 (Fotostrom) von einigen Mikroampere gemessen werden.

• Bei kleiner Spannung ist der Fotostrom 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 Fotostrom beitragen zu lassen.
• Bei höheren Spannungen steigt der Fotostrom bis zu einem Grenzwert an, man spricht von Sättigung. Dann werden alle Elektronen von der Anode abgesaugt, die an der Fotokathode 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 Fotozelle verbunden ist, bildet sich zwischen Anode und Kathode bei Belichtung eine geringe Spannung von etwa einem Volt aus. Die Fotozelle 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. Diese Spannung ist proportional zur Frequenz des eingestrahlten Lichts und kann zur Ermittlung des Planckschen Wirkungsquantums genutzt werden.

Die Spannung bildet sich aus, weil das Licht (genügend hohe Frequenz und damit Energie vorausgesetzt) Elektronen aus der Fotokathode herausschlägt. Diese Elektronen besitzen eine Energie, die der Differenz zwischen Quantenergie des Lichtes und Austrittsarbeit des Elektrons aus dem Kathoden-Metall entspricht. Die freien Elektronen treffen (teilweise) auch auf die Anode und laden diese negativ auf. Dadurch bildet sich eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden aus. Weitere Elektronen müssen nun das sich ausbildende elektrische Feld durchlaufen, um auf die Anode aufzutreffen, wozu sie Energie benötigen. Schließlich ist die Spannung so groß, dass die Energie der neu herausgelösten Elektronen nicht mehr ausreicht, die Platte zu erreichen - die Spannung bleibt konstant.

Abgrenzung: aus Halbleitern aufgebaute Fotoempfänger zählen zu den Halbleiterdetektoren, es sind z.B. Fotodioden, Fotowiderstände oder Solarzellen – diese werden nicht als Fotozellen bezeichnet.

Anwendung

Fotozellen 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 Fotodioden und Fototransistoren abgelöst worden.

Nach dem Prinzip der Fotozellen (d.h. mit Fotokathoden) arbeitende Fernsehkameras (siehe Vidicon) sind bis auf Ausnahmefälle (Einsatz unter radioaktiver Strahlung) durch CCD- und CMOS-Bildsensoren abgelöst worden.

Geschichte

Die Fotozelle wurde 1893 von Hans Geitel und Julius Elster erfunden, um die Intensität des Lichtes messen zu können.

Weblinks

• Berechnung der Gegenspannung einer Natriumfotozelle