Optikai és fotoelektromos jelenség a félvezetők
A mai elektronikus technológia széles körben használt félvezető eszközök elvei alapján, a fotoelektromos és elektro-optikai jel átalakítás. Ezek közül az első elvek változása miatt az elektromos tulajdonságai az anyag által az abszorpciós ott a fényenergia (fénykvantumok). Ez megváltoztatja a vezetőképességet vagy anyagok jelentkezik e. d. a. amelyek változásokhoz vezetnek az áramkör, amely magában foglalja a fényérzékeny elem. A második elv generálásával együtt jár a sugárzás az anyag, alkalmazása miatt a feszültség és az áram keresztül a fénykibocsátó elem aktuális. Ezek az elvek a tudományos alapját képezni az optoelektronikai - új tudományos és műszaki irányt, amelyben továbbítja, feldolgozására és tárolására információk segítségével mind az elektromos és optikai eszközök és technikák.
Minden különböző optikai és fotoelektromos jelenségek félvezetők lehet csökkenteni a következő kulcsot:
- az elnyelt fény és fényvezető;
- fotoelektromos hatás a p-n átmenet;
- stimulált koherens sugárzás.
Fényvezető. fényelektromos hatás
Fényvezető jelenséget nevezzük növekedése a villamos vezetőképessége a félvezető hatása alatt az elektromágneses sugárzás.
Amikor a félvezető fény ott keletkezik elektron-lyuk párok eltolásával az elektronok a vegyértéksáv a vezetési sávban. Következésképpen, a vezetőképessége a félvezető növeljük az összeg
ahol e - a töltés egy elektron; # 109; n - elektron mobilitást; # 109; p - lyuk mobilitást; # 68; ni - a koncentráció a keletkezett elektronok; # 68; pi - a koncentráció a keletkezett lyukak.
Mivel a fő eredménye a felszívódását fényenergia a félvezető egy elektronok átvitelét vegyértékelektronját a vezetési sávban, azaz interband átmenetek, a kvantum foton energiája a fény meg kell felelniük a feltétel
ahol h - Planck állandó; # 68; W - szélessége a tiltott sávban a félvezető; # 110; cr - kritikus frekvencia elektromágneses sugárzás (piros határ fényvezető).
Sugárzás frekvencia # 110; <nкр 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> # 68; W, akkor a felesleges relatív bandgap részét QUANTA energia át elektronok kinetikus energia.
kritikus frekvencia # 110; cr megfelelő határoló hullámhossz
ahol C - a fénysebesség (3 * 10 8 m / s). Hullámhosszon nagyobb, mint a határ, fényvezető meredeken csökken. Így, germánium határ hullámhossz mintegy 1,8 mikron. Azonban a csökkenés a fényvezető figyelhető alacsony hullámhosszon. Ez annak köszönhető, hogy a gyors növekedés az energiaelnyelés a frekvenciával és csökkentve a behatolási mélység a félvezető padyuschey elektromágneses energia. Felszívódás fordul elő egy vékony felületi réteg, és ahol nagyobb mennyiségben termelt töltéshordozók. A megjelenése nagy mennyiségű felesleges hordozók felületén csak gyengén befolyásolja a vezetőképesség az összes félvezető kötet, hiszen a felületi re- nagyobb volumen és mélyen behatolni a kisebbségi töltéshordozók, hogy növelje a rekombináció aránya a tömeges félvezető.
A fényvezető a félvezetők mutatható ki az infravörös, látható vagy ultraibolya tartományában az elektromágneses spektrum függően bandgap, ami viszont függ a félvezető típusú, hőmérséklet, és a szennyező koncentrációját az elektromos mező.
Tekinthető fényt elnyelő mechanizmus, ami a megjelenése szabad töltéshordozók félvezető fényérzékeny hívást. Mivel ebben az esetben a vezetőképesség változás, és így a belső ellenállása a félvezetők, a jelenséget nevezzük fényelektromos hatást. A fő alkalmazási területe a fényvédő van érvényben fényérzékeny félvezető eszköz - fotoellenállások, amelyeket széles körben használják a modern optoelektronikai és fotoelektron automatizálás.
Tervezz és bekapcsolási áramkör fényérzékeny. Sötét és gyengeáramú
Úgynevezett fényelektromos félvezetők, amelynek vezetőképessége változik alatt fény hatására.
A design a egykristály és egy filmet fotoreziszt ábrán látható. 1, 2 alkalmazások. A fő eleme egy fényérzékeny az első esetben egyetlen kristály, és a második - a vékony film félvezető anyagból.
Ha a fotocella van sorba kötve a feszültségforrás (ábra. 3 alkalmazások), és nem világít, a sötét áram fog folyni a láncban
ahol E - e. d. a. áramforrás; Rt - az elektromos ellenállása fotoellenállás a sötétben, a sötét nevezett rezisztencia; RL - terhelési ellenállás.
Megvilágítás hatására a fotoellenállásra foton energia fogy az elektron transzferre a vezetési sávban. A számú szabad elektron-lyuk párok növekszik, az ellenállást a fotoellenállásra és esik rajta fény áram folyik
A különbség a világos és sötét aktuális értékét adja meg az aktuális IPH. ismert, mint az elsődleges photocurrent vezetési
Amikor a sugárzási fluxus kicsi, elsődleges fotoelektromos szinte inertialess vezetőképesség és változása egyenesen arányos a nagysága a sugárzási fluxus incidens a fénysorompó. A növekvő nagysága a sugárzási fluxus megnöveli a vezetési elektronok. Mozgó az anyag belsejében, az elektronok ütköznek atomokkal ionizálására őket, és hozzon létre további elektromos töltés áramlik, úgynevezett másodlagos fényáram vezetőképesség. Számának növelése ionizált atomok gátolja mozgását a vezetési elektronok. Ennek eredményeként ez a változás a fotoelektromos időben késleltetett képest változások a fényáram, amely meghatározza egy bizonyos tehetetlenség fotoellenállásra.
Az alapvető jellemzői fényálló következők:
A áram-feszültség jellemző a függőség fotoáram (állandó fényáram F) sötét áram vagy az alkalmazott feszültség. Fotoreziszteket, ez a függőség szinte lineáris (ábra. 4. melléklet). Ohm törvénye sérül az esetek többségében csak a magas feszültséggel photoresisto.
Fény (lyuksampernaya) jellemző függésének fotoáram a beeső fényáram állandó spektrális összetételét. Semiconductor fotrezistory van egy nemlineáris amper jellemzőit (ábra. A melléklet 5.). A legmagasabb érzékenységi kapjuk alacsony fényviszonyok között. Ez lehetővé teszi a használatát fotorezisztekhez mérésére nagyon alacsony sugárzás intenzitását. Ha a megvilágítás fény növeli a jelenlegi emelkedése nagyjából arányos a négyzetgyöke megvilágítás. Amper jellemzői a lejtőn függ az alkalmazott feszültség fotoellenállások.
Spektrális jellemzésére érzékenysége fotoreziszt hatása alatt állandó teljesítmény áram adott hullámhosszú. A spektrális válasz határozza meg az anyag előállítására alkalmazott a fényérzékeny elem. Kadmium-szulfid fotoellenállások nagy érzékenységű a látható spektrumban, szelenid-kadmium - piros, és a kén-ólom - az infravörös (6. ábra app.).
Frekvencia. jellemzésére fotoreziszt érzékenysége az intézkedés alapján fényáram változó egy adott frekvencián. Szabad tehetetlenségi a fényelektromos okozza, hogy a nagyságát fotoáram függ a modulációs frekvencia beeső fényáram - egyre gyakrabban a fényáram fotoáram csökken (7. ábra app.). A tehetetlenség oganichivaet használatának lehetőségét fényálló működés közben változó fény nagyfrekvenciás hullámok.
A főbb paraméterei fényálló:
Üzemi feszültség UP - állandó alkalmazott feszültség fotókonduktort, amely rendelkezésre áll a névleges paraméterek, amikor annak hosszantartó működését előre meghatározott üzemi körülmények között.
A maximálisan megengedhető feszültség photoresistor Umax - maximális értéke a DC feszültség a fotókonduktort, amelynél az eltérés annak paramétert a nominális érték nem haladja meg a megadott határok hosszan tartó működése előre meghatározott üzemi körülmények között.
Sötét ellenállás Rt - fotoellenállásra ellenállása hiányában a beeső sugárzás a saját spektrális érzékenységi tartományban.
Fény ellenállás Rc - ellenállását photoresistor után mért egy bizonyos idő elteltével az elején sugárzásnak való kitettség generál rajta a megvilágítás beállított értéket.
Többszörös KR ellenállás változás - sötét arányát photoresistor ellenállást az ellenállás egy bizonyos szinten megvilágítási (könnyű ellenállás).
Megengedett teljesítménydisszipáció - a hatalom, amelynél nem visszafordíthatatlan változások réteggel paraméterek működés közben.
Teljes folyó photoresistor - aktuális, álló sötét jelenlegi és photocurrent.
Fotoáram - átfolyó áram a fénysorompó egy meghatározott feszültség rajta miatt csak a hatása a sugárzási áramot egy előre meghatározott spektrális eloszlását.
Specifikus Érzékenység - az arány a fotoáram hogy a termék a beeső fényáram a fotoellenállással hogy az alkalmazott feszültség hozzá, uA / (Lm · B)
ahol IPH - fotoáram egyenlő a különbség a átfolyó áramok fotókonduktort a sötétben, és egy előre meghatározott (200 Lux) megvilágítás, uA; F - egy beeső fény fluxus, lm; U - az alkalmazott feszültség fotoellenállások, VA
Integrál érzékenysége - termék sajátos érzékenységét határértéket üzemi feszültség Sint = R0 Umax.
időállandó # 116; f - időtartam, amely alatt a fotoáram változások 63% -kal, azaz időben e ... Az időállandó az eszközt az jellemzi tehetetlenség és befolyásolja az alak a frekvenciamenet.
Ha bekapcsolja és kikapcsolja a fényt, a fotoelektromos növekszik a maximális (8. Alkalmazások) és csökkenti a minimumra nem azonnali. A természete és hossza a görbék emelkedik és a pusztulás a fotoáram időben lényegében attól függ, hogy a mechanizmus a rekombinációja nem egyensúlyi hordozók az anyagban, valamint a nagyságát fényintenzitás. Egy kis injekciós szintje emelkedik és csökken a fényáram időben leírható kiállítók időállandóval # 116;, egyenlő az élettartam a hordozók egy félvezető. Ebben az esetben, ha bekapcsolja a fényt, a fotoelektromos IPH emelkedik, és csökken az időben a törvény szerint
ahol IPH - stacionárius értéke fényáram megvilágítás.
Recesszió görbéi photocurrent időben meg tudja határozni az élettartam # 116; egyensúlyi hordozók.
Ami a fényelektromos anyagot széles körben használt szulfidokat, szelenideket és telluridok a különböző elemek, valamint a típusú AIII BV vegyületek. Az infravörös tartományban lehet használni alapján a fényelektromos PBS PbSe, PbTe, InSb, a látható fény tartományban és a közeli ultraibolya - CdS.
Az elmúlt években, fényálló széles körben használják számos ága a tudomány és a technológia. Ez annak köszönhető, hogy a nagy érzékenység, egyszerű kialakítású, kis méretű, nagy megengedhető veszteségi teljesítmény. Jelentős érdeklődés a használata fotorezisztekhez optoelektronikai.
Regisztráció optikai sugárzás
Az optikai sugárzás annak fényenergia tipikusan alakítható át villamos jelet, amelyet azután mérjük, hagyományos eljárással. Ezt az átalakítást tipikusan következő fizikai jelenségek:
- generációs mobil hordozók szilárdtest fényelektromos detektorok;
- termoelem hőmérséklet-változás a felszívódását sugárzás, ami a változást termoelektromos erő. d. a.;
- a kibocsátási szabad elektronok által a fényelektromos hatás a fényérzékeny film.
A legfontosabb típusú optikai érzékelők az alábbi eszközöket:
Reakcióvázlat félvezető fotodetektor ábrán látható. 9 alkalmazásokat. A félvezető chip sorba van kötve egy R ellenálláson és egy egyenfeszültség-forrásra V. Az optikai hullám, amely regisztrálni kell, beeső a kristály, és elnyelődik, ahol a képletben az izgalmas elektronok a vezetési sávban (vagy p-típusú félvezetők - a lyuk a vegyérték sáv). Az ilyen gerjesztés csökkenéséhez vezet a rezisztencia Rd a félvezető chip és így megnőtt a feszültségesés az R ellenállás, amely, amikor a # 68; rd / rd <<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 ND донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству NA акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов NA>> ND. legtöbb atomok az akceptor marad töltés nélküli.
Egy incidens foton elnyelődik, és átviszi az elektront a vegyérték sáv arra a szintre, az akceptor atom, ábrán látható. 10 alkalmazások (A eljárás). A kapott lyuk mozgás közben hatására az elektromos mező, ami előidézi a villamos áram. Miután egy elektront az akceptor szintet viszünk vissza a vegyérték sáv, így tönkreteszi lyukat (B) eljárás során, a jelenlegi eltűnik. Ezt a folyamatot nevezik elektron-lyuk rekombináció és a lyuk Capture atom akceptor.
Kiválasztása alacsonyabb szennyezőanyag-ionizációs energiák, akkor lehet észlelni fotonok az alacsonyabb energia. Meglévő félvezető fotodetektorokkal jellemzően működnek hullámhosszon akár # 108; „32 mikron.
Ebből következik a fentiekből, hogy a fő előnye a félvezető fényérzékelők képest fotomultiplierek is képesek felismerni a hosszú hullámhosszú sugárzást, mert a teremtés mobil töltéshordozók őket nem jár leküzdésében jelentős felületi potenciál gáton. A hátránya az, hogy alacsony a jelenlegi nyereség. Ezen túlmenően, annak érdekében, hogy photoexcitation a hordozók nem elfedi termikus gerjesztés, félvezető fotodetektorok kell hűteni.
1 # 46; Gershunsky BS alapjai elektronika és mikroelektronika. - K. Vishcha iskola. 1989 - 423 p.
2 # 46; Workshop a félvezetők és félvezető eszköz; ed. KV Shalimova. - M. Higher School. 1968 - 464 p.
3 # 46; Fedotov YA alapjai Fizika félvezető eszközök. - M. szovjet rádiót. 1970. - 591 p.
4 # 46; Yariv A. Bevezetés optikai Electronics. - M. Higher School. 1983. - 400 p.
5, # 46; Kittel C. Bevezetés A Szilárdtestfizikai, 3d Ed. - New York: Wiley, 1967. - p. 38.
6 # 46; Kittel C. Elementary Szilárdtestfizikai. - New York - London: Wiley, 1962.