Фотоэлементы - реферат

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

В современной электрической технике обширно употребляются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. 1-ый из этих принципов обоснован конфигурацией электрофизических параметров вещества в итоге поглощения в нем световой энергии (квантов света). При всем этом меняется проводимость вещества либо появляется э. д Фотоэлементы - реферат. с., что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. 2-ой принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Обозначенные принципы составляют научную базу оптоэлектроники – нового научно-технического направления, в каком для передачи, обработки и хранения инфы употребляются как Фотоэлементы - реферат электронные, так и оптические средства и способы.

Все обилие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к последующим главным:

– поглощение света и фотопроводимость;

– фотоэффект в p-n переходе;

– электролюминесценция;

– стимулированное когерентное излучение.

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект

Явлением фотопроводимости именуется повышение электропроводности полупроводника под воздействием электрического излучения.

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

Ds = e (mn Dni + mp Dpi ), (1)

где e – заряд электрона; mn – подвижность электронов; mp – подвижность дырок; Dni – концентрация генерируемых электронов; Dpi – концентрация генерируемых дырок Фотоэлементы - реферат.

Так как главным 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

hnкр ³DW, (2)

где h – неизменная Планка; DW – ширина нелегальной зоны полупроводника; nкр – критичная частота электрического излучения (красноватая граница фотопроводимости Фотоэлементы - реферат).

Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, потому что энергия кванта такового излучения hn DW, то лишная относительно ширины нелегальной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критичной частоте nкр соответствует граничная длина волны

lгр = с / nкр , (3)

где с - скорость света (3·108 м/с). При длинах волн, огромных граничной Фотоэлементы - реферат, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет приблизительно 1.8 мкм. Но спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это разъясняется резвым повышением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникания падющей на полупроводник электрической энергии. Поглощение происходит в узком поверхностном слое, где Фотоэлементы - реферат и появляется основное количество носителей заряда. Возникновение огромного количества лишних носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, потому что скорость поверхностной рекомбинации больше большой и проникающие вглубь неосновные носители заряда наращивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой либо ультрафиолетовой частях электрического Фотоэлементы - реферат диапазона зависимо от ширины нелегальной зоны, которая, в свою очередь, находится в зависимости от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электронного поля.

Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к возникновению свободных носителей заряда в полупроводнике, именуют фотоактивным. Так как при всем этом меняется проводимость, а как следует, внутреннее сопротивление Фотоэлементы - реферат полупроводника, обозначенное явление было названо фоторезистивным эффектом . Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых устройствах – фоторезисторах, которые обширно употребляются в современной оптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.

Фоторезисторы

Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток

Фоторезисторами именуют полупроводниковые приборы, проводимость которых изменяется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного Фотоэлементы - реферат фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Главным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во 2-м – узкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен поочередно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн ), (4)

где Е – э. д. с. источника Фотоэлементы - реферат питания; Rт – величина электронного сопротивления фоторезистора в мгле, именуемая темновым сопротивлением ; Rн – сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар увеличивается, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн ). (5)

Разность меж световым и темновым Фотоэлементы - реферат током дает значение тока Iф , получившего заглавие первичного фототока проводимости

Iф = Iс – Iт . (6)

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости фактически безынерционен и меняется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока возрастает число электронов проводимости. Двигаясь снутри вещества, электроны сталкиваются Фотоэлементы - реферат с атомами, ионизируют их и делают дополнительный поток электронных зарядов, получивший заглавие вторичного фототока проводимости . Повышение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В итоге этого конфигурации фототока запаздывают во времени относительно конфигураций светового потока, что определяет некую инерционность фоторезистора.

Свойства фоторезисторов

Основными чертами фоторезисторов являются:

Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при Фотоэлементы - реферат неизменном световом потоке Ф) либо темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость фактически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается почти всегда только при больших напряжениях на фоторезисторе.

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока неизменного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис Фотоэлементы - реферат. 5 приложения). Большая чувствительность выходит при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток вырастает приблизительно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной свойства находится в зависимости от приложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения Фотоэлементы - реферат неизменной мощности определенной длины волны. Спектральная черта определяется материалом, применяемым для производства светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высшую чувствительность в видимой области диапазона, селенисто-кадмиевые – в красноватой, а сернисто-свинцовые – в инфракрасной (рис. 6 приложения).

Частотная , характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной Фотоэлементы - реферат частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока находится в зависимости от частоты модуляции падающего на их светового потока – с повышением частоты светового потока фототок миниатюризируется (рис. 7 приложения). Инерционность оганичивает способности внедрения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высочайшей частоты.

Характеристики фоторезисторов

Главные характеристики фоторезисторов:

Рабочее Фотоэлементы - реферат напряжение Uр – неизменное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные характеристики при долговременной его работе в данных эксплуатационных критериях.

Очень допустимое напряжение фоторезистора Umax – наибольшее значение неизменного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его характеристик от номинальных значений не превосходит обозначенных пределов при долговременной работе в Фотоэлементы - реферат данных эксплуатационных критериях.

Темновое сопротивление Rт – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в спектре его спектральной чувствительности.

Световое сопротивление Rс – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность данного значения.

Кратность конфигурации сопротивления KR – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению Фотоэлементы - реферат при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния – мощность, при которой не наступает необратимых конфигураций характеристик фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока.

Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при обозначенном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с Фотоэлементы - реферат данным спектральным рассредотачиванием.

Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА / (лм · В)

К0 = Iф / (ФU), (7)

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

Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение Sинт = К0 Umax .

Неизменная времени tф – время, в течение которого фототок меняется на 63%, т. е. в e раз. Неизменная времени охарактеризовывает инерционность прибора и оказывает влияние с виду его частотной свойства.

При включении и выключении света фототок Фотоэлементы - реферат растет до предела (рис. 8 приложения) и спадает до минимума не одномоментно. Нрав и продолжительность кривых нарастания и спада фототока во времени значительно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, также от величины интенсивности света. При низком уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить Фотоэлементы - реферат экспонентами с неизменной времени t, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В данном случае при включении света фототок iф будет нарастать и спадать во времени по закону

iф = Iф (1 – e – t / t ); iф = Iф e – t / t , (8)

где Iф – стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока во Фотоэлементы - реферат времени можно найти время жизни t неравновесных носителей.

Изготовка фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов обширно употребляются сульфиды, селениды и теллуриды разных частей, также соединения типа AIII BV . В инфракрасной области могут быть применены фоторезисторы на базе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и близкого ультрафиолета – CdS.

Применение фоторезисторов

В Фотоэлементы - реферат последние годы фоторезисторы обширно используются в почти всех отраслях науки и техники. Это разъясняется их высочайшей чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значимой допустимой мощностью рассеяния. Значимый энтузиазм представляет внедрение фоторезисторов в оптоэлектронике.

Регистрация оптического излучения

Для регистрации оптического излучения его световую энергию обычно конвертируют в электронный сигнал, который потом определяют Фотоэлементы - реферат обыденным методом. При всем этом преобразовании обычно употребляют последующие физические явления:

– генерацию подвижных носителей в твердотельных фотопроводящих сенсорах;

– изменение температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-э. д. с.;

– эмиссию свободных электронов в итоге фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Более необходимыми типами оптических сенсоров являются последующие устройства Фотоэлементы - реферат:

– фотоумножитель;

– полупроводниковый фоторезистор;

– фотодиод;

– лавинный фотодиод.

Полупроводниковый фотодетектор

Схема полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 9 приложения. Полупроводниковый кристалл поочередно соединен с резистором R и источником неизменного напряжения V. Оптическая волна, которую необходимо зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при всем этом электроны в зону проводимости (либо в Фотоэлементы - реферат полупроводниках p- типа – дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления Rd полупроводникового кристалла и, как следует, к повышению падения напряжения на сопротивлении R, которое при DRd / Rd << 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера разглядим энерго уровни 1-го из более всераспространенных полупроводников – германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Как следует, для того, чтоб поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтоб атом Hg (акцептор) смог захватить его, нужен фотон с энергией по последней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит маленькое количество ND донорных атомов, которым при низких температурах энергетически прибыльно отдавать свои валентные электроны большенному количеству NA акцепторных атомов. При всем этом появляется равное количество положительно ионизированных донорных и негативно ионизированных акцепторных атомов. Потому что концентрация акцепторов NA >> ND , большая часть атомов-акцепторов остается незаряженным.

Падающий фотон поглощается и переводит электрон из валентной зоны на уровень атома-акцептора, как это Фотоэлементы - реферат показано на рис. 10 приложения (процесс А). Возникающая при всем этом дырка движется под действием электронного поля, что приводит к возникновению электронного тока. Как электрон с акцепторного уровня ворачивается назад в валентную зону, уничтожая тем дырку (процесс B), ток исчезает. Этот процесс именуется электронно-дырочной рекомбинацией либо захватом дырки Фотоэлементы - реферат атомом акцептора.

Выбирая примеси с наименьшей энергией ионизации, можно найти фотоны с более низкой энергией. Имеющиеся полупроводниковые фотодетекторы обычно работают на длинах волн прямо до l ­­» 32 мкм.

Из произнесенного следует, что основным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сопоставлению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, так как создание Фотоэлементы - реферат подвижных носителей в их не связано с преодолением значимого поверхностного потенциального барьера. Недочетом же их является маленькое усиление по току. Не считая того, для того чтоб фотовозбуждение носителей не маскировалось термическим возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать.

Перечень литературы

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

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

3. Федотов Я. А. Базы физики полупроводниковых устройств. – М.: Русское 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 Фотоэлементы - реферат. Elementary Solid State Physics. – New York – London: Wiley, 1962.

Приложение



formula-polnoj-veroyatnosti-referat.html
formula-primenyaetsya-sleva-napravo.html
formula-rascheta-edinoj-modeli-ocenki-bankrotstva-evropejskih-stran.html