Фотодатчики, общие сведения

February 28, 2011 by admin Комментировать »

Фотоэлектрические явления в полупроводниках

В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяется проводимость вещества, то есть возникает ЭДС, что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан с генерацией светового излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники — научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы.

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

•        поглощение света и фотопроводимость;

•        фотоэффект в р-п переходе;

•        электролюминесценция;

•        стимулированное когерентное излучение.

Фотопроводимость, фоторезистивный эффект

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.

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

где е — заряд электрона;

цп — подвижность электронов;

цр — подвижность дырок;

An, — концентрация генерируемых электронов;

APj — 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:

где h — постоянная Планка;

AW — ширина запрещенной зоны полупроводника;

vKp — критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).

Излучение с частотой v < vKp не может вызвать фотопроводимость, т.к. энергия кванта такого излучения hv < AW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если жето избыточная относительно

ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте vKp соответствует граничная длина

волны

где с — скорость света (3 х 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. 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, т.к. скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

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

Механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фотоактивным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление было названо фоторезистивным эффектом. Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых приборах — фоторезисторах, которые широко используются в современной опто- электронике и фотоэлектронной автоматике.

Кроме фоторезисторов, в современной радиоэлектронике активно используются фотодиоды и их производные — фоточувствительные полупроводниковые элементы — фототранзисторы и фототринисторы. Широкими шагами развивается оптоэлектроника. На основе фоточувствительных элементов создаются ФЭП — фотоэлектрические преобразователи энергии. Они предназначены для магистральных систем теплоснабжения, для подзарядки химических аккумуляторных батарей. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных стационарных и передвижных объектах. С помощью ФЭП, размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш. В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП — искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды.

Сегодня приобретение простейших ФЭП, рассчитанных на напряжение 12…36 В и с небольшим полезным током отдачи 0,3…0,5 А не является проблемой для радиолюбителя. Их стоимость от 300 рублей. Данные ФЭП выпускаются в модульном исполнении, что позволяет без особых трудозатрат соединять отдельные модули последовательно и параллельно (соответственно, для увеличения постоянного напряжения и тока) под конкретные задачи радиолюбителя. Перспективное развитие этого направления и доступность ФЭП позволяют с большой долей уверенности предполагать, что этот вид источников напряжения в скором будущем окажется весьма популярным и распространенным. Работать с такими модулями можно без дополнительных приборов, они не нуждаются в настройке — все это способствует их стремительному распространению среди радиолюбителей. Сегодня они широко применяются на практике в виде автономных элементов питания для сотовых телефонов практически всех изготовителей.

Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная надежность; отсутствие расхода активного вещества или топлива.

Недостатки ФЭП: необходимость использования устройств для ориентации на Солнце, неработоспособность в отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых поверхностей. КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых фотоэлементов равен ri ~ 0,1 …0,2 В, каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов т] « 0,3 при двухслойном и г) ~ 0,35…0,4 при трехслойном исполнении. Для перспективных автономных энергетических установок, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников — арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать КПД т) ~ 0,3…0,4.

Работа ФЭ (фотоэлементов) основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках. Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия обуславливают появление неосновных носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под влиянием электростатического притяжения разноименные свободные основные носители диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактной разностью потенциалов UK = SEK и потенциальным энергетическим барьером WK = eUK для основных носителей, имеющих заряд е. Напряжение зависит от температурь! Т, концентраций дырок (р рп) или электронов (пр, пп) в р- и n-областях заряда электрона е и постоянной Больц- мана к. Напряжение UK =(kT/e)ln(pp/pn) = (кТ e)ln(nn пр).

Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Типовая вольт-амперная характеристика кремний-германиевого фотоэлемента

Для повышения КПД примерно до 0,3 применяются каскадные ФЭП в двух- и трехслойном исполнении с прозрачными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП существенно зависит от оптических свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих защитных покрытий. Коэффициенты отражения уменьшают технологическим способом просветления освещаемой поверхности (для рабочей части спектра). Обусловливающие заданный коэффициент поглощения покрытия способствуют установлению необходимого теплового режима в соответствии с законом Стефана-Больцмана, что имеет важное значение: например, при увеличении температуры от 300 до 380 К КПД ФЭП снижается на 1/3.

Основы внутреннего фотоэффекта

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

Собственное поглощение

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона hv должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть hv > Eg.

При насыщении фотонов увеличивается фотопроводимость за счет роста коэффициента поглощения а. В случае собственного поглощения а достигает наибольшей величины — 106 см-1. Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

Примесное поглощение

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

Экситонное поглощение

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. В реальных кристаллических структурах экситоны имеют большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Эк- ситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

Поглощение свободными носителями заряда

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

Поглощение кристаллической решеткой

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты