Вакуумные фотоэлементы

метки: Вакуумный, Фоторезистор, Фотоэлемент, Волна, Полупроводник, Фототок, Энергия, Германий

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

оптоэлектроники

Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным:

• поглощение света и фотопроводимость;
• фотоэффект в p-n переходе;

• электролюминесценция;
• стимулированное когерентное излучение.

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект

фотопроводимости

При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину

Ds = e (m_n Dn_i + m_p Dp_i ), (1)

где e – заряд электрона; m _n – подвижность электронов; m_p – подвижность дырок; Dn_i – концентрация генерируемых электронов; Dp_i – концентрация генерируемых дырок.

Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. междузонный переход, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию

hn _кр ³DW, (2)

где h – постоянная Планка; DW – ширина запрещенной зоны полупроводника; n _кр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).

Излучение с частотой n < n _кр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > DW, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте n _кр соответствует граничная длина волны

l _гр = с / n_кр , (3)

где с — скорость света (3·10 ⁸ м/с).

При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1.8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падющей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Применение полупроводников в технике

... световую энергию в электрическую) и инфракрасной оптике важно знать коэффициент преломления, отражательную способность и пропускание света в широком диапазоне длин волн. Наряду с элементарными полупроводниками в полупроводниковой технике находят широкое применение полупроводниковые ...

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

фоторезистивным эффектом

Фоторезисторы

Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток

Фоторезисторами

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.

темновой ток

I _т = E / (R_т + R_н ), (4)

темновым сопротивлением

световой ток

I _с = E / (R_с + R_н ).

(5)

первичного фототока проводимости

I _ф = I_с – I_т . (6)

вторичного фототока проводимости

Характеристики фоторезисторов

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

Вольтамперная,, Световая (люксамперная),, Спектральная,, Частотная

Параметры фоторезисторов

Основные параметры фоторезисторов:

Рабочее напряжение, Максимально допустимое напряжение фоторезистора, Темновое сопротивление, Световое сопротивление, Кратность изменения сопротивления, Допустимая мощность рассеяния, Общий ток фоторезистора

Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

Удельная чувствительность

К ₀ = I_ф / (ФU), (7)

где I _ф – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА; Ф – падающий световой поток, лм; U – напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Интегральная чувствительность –, Постоянная времени

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума (рис. 8 приложения) и спадает до минимума не мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени t, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок i _ф будет нарастать и спадать во времени по закону

Свет. Основные светотехнические величины и единицы

... абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу ... (пример: генерация лазерного излучения). На практике монохроматические ... и другие волны. Временная и пространственная периодичности. В отличие от стационарного колебания волны имеют две основные ... может превышать скорости света в вакууме, что ... которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают: волны ...

i _ф = I_ф (1 – e ^{– t / t} ); i_ф = I_ф e ^{– t / t} , (8)

где I _ф – стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока во времени можно определить время жизни t неравновесных носителей.

Изготовление фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа A _III B_V . В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего ультрафиолета – CdS.

Применение фоторезисторов

В последние годы фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике.

Регистрация оптического излучения

Для регистрации оптического излучения его световую энергию обычно преобразуют в электрический сигнал, который затем измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие физические явления:

• генерацию подвижных носителей в твердотельных фотопроводящих детекторах;
• изменение температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-э.

д. с.;

• эмиссию свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Наиболее важными типами оптических детекторов являются следующие устройства:

• фотоумножитель;
• полупроводниковый фоторезистор;
• фотодиод;
• лавинный фотодиод.

Полупроводниковый фотодетектор

Схема полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 9 приложения. Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения V. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках p- типа – дырки в валентную зону).

Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления R_d полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при DR_d / R_d << 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников – германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией по крайней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм).

Обычно кристалл германия содержит небольшое количество N_D донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству N_A акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов N_A >> N_D , большинство атомов-акцепторов остается незаряженным.

Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

... же фазовые характеристики 6. Низкоинтенсивные лазеры, свойства, действие на биологические ткани Низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) в дерматологии и косметологии ... волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера: ... и исключительно благотворное влияние НИЛИ не только на кожный покров, но и на организм в целом. ...

электронно-дырочной рекомбинацией

Выбирая примеси с меньшей энергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более низкой энергией. Существующие полупроводниковые фотодетекторы обычно работают на длинах волн вплоть до l ­­» 32 мкм.

Из сказанного следует, что главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостатком же их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/vakuumnyie-fotoelementyi/

1. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа. 1989. – 423 с.

2. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам; под ред. К. В. Шалимовой. – М.: Высшая школа. 1968. – 464 с.

3. Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: Советское радио. 1970. – 591 с.

4. Yariv A. Introduction To Optical Electronics. – М.: Высшая 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.

Приложение