Фотоелементи

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Оптичні та фотоелектричні явища в напівпровідниках У сучасній електронній техніці широко використовуються напівпровідникові прилади, засновані на принципах фотоелектричного і електрооптичного перетворення сигналів. Перший з цих принципів обумовлений зміною електрофізичних властивостей речовини в результаті поглинання в ньому світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність речовини або виникає е.. д. с., що призводить до змін струму у колі, в яку включений фоточутливий елемент. Другий принцип пов'язаний з генерацією випромінювання в речовині, зумовленої прикладеним до нього напругою і протікає через светоизлучающий елемент струмом. Зазначені принципи становлять наукову основу оптоелектроніки - нового науково-технічного напрямку, в якому для передачі, обробки та зберігання інформації використовуються як електричні, так і оптичні засоби і методи. Все різноманіття оптичних і фотоелектричних явищ в напівпровідниках можна звести до наступних основних: - поглинання світла і фотопровідність; - фотоефект у pn переході; - електролюмінесценція; - стимульоване когерентне випромінювання. Фотопровідність. Фоторезистивной ефект Явищем фотопровідності називається збільшення електропровідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання. При висвітленні напівпровідника в ньому відбувається генерація електронно-діркових пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зону провідності. Внаслідок цього провідність напівпровідника зростає на величину Ds = e (mn Dni + mp Dpi), (1) де e - заряд електрона; mn - рухливість електронів; mp - рухливість дірок; Dni - концентрація генерованих електронів; Dpi - концентрація генерованих дірок. Оскільки основним наслідком поглинання енергії світла в напівпровіднику є переклад електронів з валентної зони в зону провідності, тобто междузонний перехід, то енергія кванта світла фотона повинна задовольняти умові hnкр іDW, (2) де h - постійна Планка; DW - ширина забороненої зони напівпровідника; Nкр - критична частота електромагнітного випромінювання (червона межа фотопровідності). Випромінювання з частотою n <Nкр не може викликати фотопровідність, так як енергія кванта такого випромінювання hn <DW недостатня для перекладу електрона з валентної зони в зону провідності. Якщо ж hn> DW, то надлишкова щодо ширини забороненої зони частина енергії квантів передається електронам у вигляді кінетичної енергії. Критичною частоті Nкр відповідає гранична довжина хвилі lгр = с / Nкр, (3) де с - швидкість світла (3.108 м / с). При довжинах хвиль, великих граничної, фотопровідність різко падає. Так, для германію гранична довжина хвилі складає приблизно 1.8 мкм. Однак спад фотопровідності спостерігається і в області малих довжин хвиль. Це пояснюється швидким збільшенням поглинання енергії з частотою і зменшенням глибини проникнення падющей на напівпровідник електромагнітної енергії. Поглинання відбувається в тонкому поверхневому шарі, де і утворюється основна кількість носіїв заряду. Поява великої кількості надлишкових носіїв тільки в поверхні слабко відбивається на провідності всього обсягу напівпровідника, так як швидкість поверхневої рекомбінації більше об'ємної і проникаючі всередину неосновні носії заряду збільшують швидкість рекомбінації в об'ємі напівпровідника. Фотопровідність напівпровідників може виявлятися в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетової частинах електромагнітного спектру в залежності від ширини забороненої зони, яка, у свою чергу, залежить від типу напівпровідника, температури, концентрації домішок і напруженості електричного поля. Розглянутий механізм поглинання світла, що приводить до появи вільних носіїв заряду в напівпровіднику, називають фотоактивним. Оскільки при цьому змінюється провідність, а отже, внутрішній опір напівпровідника, вказане явище було названо фоторезистивной ефектом. Основне застосування фоторезистивной ефект знаходить у світлочутливих напівпровідникових приладах - фоторезистора, які широко використовуються в сучасній оптоелектроніці та фотоелектронної автоматиці. Фоторезистори Конструкція і схема включення фоторезистора. Темновой і світловий струм фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, провідність яких змінюється під дією світла. Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показана на рис. 1, 2 додатки. Основним елементом фоторезистора є у першому випадку монокристал, а в другому - тонка плівка напівпровідникового матеріалу. Якщо фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис. 3 додатка) і не освітлений, то в його колі буде протікати темнової струм IТ = E / (Rт + Rн), (4) де Е - е. д. с. джерела живлення; Rт - величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темнового опору; Rн - опір навантаження. При висвітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-діркових пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм Iс = E / (Rс + Rн). (5) Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму Iф, що отримав назву первинного фотоструму провідності Iф = Iс - ІТ. (6) Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променистого потоку, що падає на фоторезистор. У міру зростання величини променистого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись всередині речовини, електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що отримав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. У результаті цієї зміни фотоструму запізнюються у часі щодо змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора. Характеристики фоторезисторів Основними характеристиками фоторезисторів є: Вольтамперна, що характеризує залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (мал. 4 додатка). Закон Ома порушується в більшості випадків тільки при високих напругах на фоторезистора. Світлова (люксамперная), що характеризує залежність фотоструму від падаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фотрезістори мають нелінійну люксамперную характеристику (рис. 5 додатка). Найбільша чутливість виходить при малих освітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для виміру дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм зростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахил люксамперной характеристики залежить від прикладеної до фоторезистору напруги. Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елемента. Сірчистої-кадмієві фоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру, селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистої-свинцеві - в інфрачервоній (рис. 6 додатка). Частотна, що характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції падаючого на них світлового потоку - з збільшенням частоти світлового потоку фотострум зменшується (рис. 7 додатка). Інерційність оганічівает можливості застосування фоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти. Параметри фоторезисторів Основні параметри фоторезисторів: Робоча напруга Uр - постійна напруга, прикладена до фоторезистору, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах. Максимально допустима напруга Umax фоторезистора - максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистору, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначених меж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах. Темновий опір Rт - опір фоторезистора за відсутності падаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості. Світлове опір Rс - опір фоторезистора, виміряний через певний інтервал часу після початку дії випромінювання, що створює на ньому освітленість заданого значення. Кратність зміни опору KR - відношення темнового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору). Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступає необоротних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації. Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового струму і фотоструму. Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при вказаному напрузі на ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання з заданим спектральним розподілом. Питома чутливість - відношення фотоструму до твору величини падаючого на фоторезистор світлового потоку на прикладену до нього напругу, мкА / (лм · В) К0 = Iф / (ФU), (7) де Iф - фотострум, рівний різниці струмів, що протікають по фоторезистору в темряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА; Ф - падаючий світловий потік, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистору, В. Інтегральна чутливість - добуток питомої чутливості на граничний робочий напруга Sінт = К0Umax. Постійна часу tф - час, протягом якого фотострум змінюється на 63%, тобто в e разів. Постійна часу характеризує інерційність приладу і впливає на вигляд його частотної характеристики. При включенні і виключенні світла фотострум зростає до максимуму (рис. 8 додатку) і спадає до мінімуму не миттєво. Характер і тривалість кривих наростання і спаду фотоструму в часі істотно залежать від механізму рекомбінації нерівноважних носіїв у даному матеріалі, а також від величини інтенсивності світла. При малому рівні інжекції наростання і спад фотоструму в часі можна представити експонентами з постійною часу t, що дорівнює часу життя носіїв у напівпровіднику. У цьому випадку при включенні світла фотострум Iф буде наростати і спадати в часі за законом Iф = Iф (1 - e - t / t); Iф = Iф e - t / t, (8) де Iф - стаціонарне значення фотоструму при освітленні. По кривим спаду фотоструму в часі можна визначити час життя t нерівноважних носіїв. Виготовлення фоторезисторів Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди, селеніди і теллуріди різних елементів, а також сполуки типу AIIIBV. У інфрачервоній області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS, PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла і ближнього ультрафіолету - CdS. Застосування фоторезисторів В останні роки фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною припустимою потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в оптоелектроніці. Реєстрація оптичного випромінювання Для реєстрації оптичного випромінювання його світлову енергію зазвичай перетворюють в електричний сигнал, який потім вимірюють звичайним способом. При цьому перетворенні зазвичай використовують такі фізичні явища: - генерацію рухомих носіїв у твердотільних фотопровідних детекторах; - зміна температури термопар при поглинанні випромінювання, що приводить до зміни термо-е. д. с.; - емісію вільних електронів в результаті фотоелектричного ефекту з фоточутливих плівок. Найбільш важливими типами оптичних детекторів є наступні пристрої: - фотопомножувач; - напівпровідниковий фоторезистор; - фотодіод; - лавинний фотодіод. Напівпровідниковий фотодетектор Схема напівпровідникового фотодетектора наведена на рис. 9 додатка. Напівпровідниковий кристал послідовно з'єднаний з резистором R і джерелом постійної напруги V. Оптична хвиля, яку потрібно зареєструвати, падає на кристал і поглинається їм, порушуючи при цьому електрони в зону провідності (або в напівпровідниках p-типу - дірки у валентну зону). Таке порушення призводить до зменшення опору Rd напівпровідникового кристала і, отже, до збільшення падіння напруги на опорі R, яке при DRd / Rd <<1 пропорційно щільності падаючого потоку. Як приклад розглянемо енергетичні рівні одного з найбільш поширених напівпровідників - германія, легованого атомами ртуті. Атоми Hg в Німеччині є акцепторами з енергією іонізації 0.09 еВ. Отже, для того, щоб підняти електрон з верхнього рівня валентної зони і щоб атом Hg (акцептор) зумів захопити його, необхідний фотон з енергією принаймні 0.09 еВ (тобто фотон із довжиною хвилі коротше 14 мкм). Зазвичай кристал германію містить невелику кількість ND донорних атомів, яким при низьких температурах енергетично вигідно віддавати свої валентні електрони великій кількості NA акцепторних атомів. При цьому виникає рівну кількість позитивно іонізованих донорних і негативно іонізованих акцепторних атомів. Так як концентрація акцепторів NA>> ND, більшість атомів-акцепторів залишається незарядженою. Падаючий фотон поглинається і переводить електрон з валентної зони на рівень атома-акцептора, як це показано на рис. 10 додатка (процес А). Виникаюча при цьому дірка рухається під дією електричного поля, що призводить до появи електричного струму. Як тільки електрон з акцепторного рівня повертається назад у валентну зону, знищуючи тим самим дірку (процес B), струм зникає. Цей процес називається електронно-діркової рекомбінацією або захопленням дірки атомом акцептора. Вибираючи домішки з меншою енергією іонізації, можна виявити фотони з більш низькою енергією. Існуючі напівпровідникові фотодетектори зазвичай працюють на довжинах хвиль аж до l »32 мкм. Зі сказаного випливає, що головною перевагою напівпровідникових фотодетекторів в порівнянні з фотоумножителями є їх здатність реєструвати довгохвильове випромінювання, оскільки створення рухомих носіїв у них не пов'язаний з подоланням значного поверхневого потенційного бар'єру. Недоліком же їх є невелике посилення по струму. Крім того, для того щоб фотозбудження носіїв не маскувалося тепловим збудженням, напівпровідникові фотодетектори доводиться охолоджувати. Список літератури 1. Гершунский Б. С. Основи електроніки та мікроелектроніки. - К.: Вища школа. 1989. - 423 с. 2. Практикум з напівпровідників і напівпровідниковим приладам; під ред. К. В. Шалімова. - М.: Вища школа. 1968. - 464 с. 3. Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. - М.: Радянське радіо. 1970. - 591 с. 4. Yariv A. Introduction To Optical Electronics. - М.: Вища школа. 1983. - 400 с. 5. Kittel C. Introduction To Solid State Physics, 3d Ed. - New York: Wiley, 1967. - P. 38. 6. Kittel C. Elementary Solid State Physics. - New York - London: Wiley, 1962. Додаток ФотоелементиФотоелементиФотоелементиФотоелементиФотоелементиФотоелементи
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
30.5кб. | скачати

© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru