- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 3
- •1.Волновая оптика
- •1.1.Световой вектор. Уравнение плоской световой волны
- •1.2. Интерференция световых волн. Условия, необходимые для осуществления интерференции
- •1.3.Условия максимумов и минимумов при интерференции световых волн
- •1.4.Интерференция в тонких пленках
- •1.5. Кольца Ньютона
- •Контрольные вопросы
- •Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля
- •Дифракция от одной щели.
- •Дифракция на одномерной дифракционной решётке
- •Угловая дисперсия и разрешающая способность дифракционной решетки
- •Угловая дисперсия равна:
- •Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке
- •Поглощение света
- •Поляризация света. Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация при отражении и преломлении
- •Двойное лучепpеломление. Поляpизационные пpизмы и поляpоиды. Явление дихpоизма
- •Вpащение плоскости поляpизации. Искуственная оптическая анизотpопия. Эффект Кеppа и его пpименение
- •1.Явления квантовой оптики
- •1.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа
- •1.2.Законы излучения абсолютно черного тела. Законы Стефана-Больцмана и Вина
- •1.3.Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Квантовая гипотеза и формула Планка
- •1.4.Оптическая пирометрия
- •1.5.Квантовая природа света. Фотон и его характеристики.
- •1.6. Виды фотоэффекта. Внешний фотоэффект и его законы.
- •1.7. Эффект Комптона
- •1.8. Коpпускуляpно-волновой дуализм свойств света
- •1.9. Контрольные вопросы и задачи к разделу «Явления квантовой оптики»
- •2.Элементы квантовой механики
- •2.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •2.2. Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция
- •Уравнение Шредингера
- •2.5.Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •Понятие о туннельном эффекте
- •1. Автоэлектронная (холодная) эмиссия электронов
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Здесь и совпадает с формулой радиуса первой боровской орбиты; численное значение этого параметра равно;a – множитель, который можно определить из условия нормировки волновой функции:
- •2.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •2.11. Спектр атома водорода
- •2.12. Распpеделение электpонов в атоме по энеpгетическим состояниям. Пеpиодическая система элементов д.И.Менделеева
- •2.13. Рентгеновское излучение
- •2.14. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •2.15. Лазеры
- •1. Инверсия населенностей
- •2. 16. Способы создания инверсии населенностей
- •2.17. Положительная обратная связь. Резонатор
- •2.18. Принципиальная схема лазера
- •2.17. Линейный гаpмонический осциллятоp
- •3.6. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.7. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников
- •Критические температуры перехода для некоторых сверхпроводников
- •4.Зонная теория твёрдых тел
- •4.1. Энергетические зоны электронов в кристалле
- •4.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики в зонной теории твёрдых тел
- •4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
- •4.4. Примесная проводимость полупроводников
- •4.5. Равновесные концентрации носителей заряда в полупроводнике
- •4.6. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Электронно-дырочный переход
- •Внутренний фотоэффект
- •Воздействие излучения на полупроводник. Фоторезистивный эффект
- •Устройство и характеристики фоторезисторов
- •Применение фоторезисторов
- •Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
- •Применение вентильного фотоэффекта
- •Биполярный транзистор
- •Состав и характеристики атомного ядра
- •Характеристики атомного ядра
- •Ядерные силы
- •Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля
- •Радиоактивность
- •Ядерные реакции
- •Деление атомных ядер
- •Элементарные частицы
- •2 Кристаллические решетки твердых тел представляют собой периодические структуры и являются естественными трехмерными дифракционными решетками.
Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.
Рассмотрим воздействие света на объем полупроводника в области p-n-перехода.
Электронно-дырочный переход (p-n- переход), как уже отмечалось, является областью монокристаллического полупроводника, в которой происходит смена проводимости с электронной на дырочную. Такой переход образуется в полупроводниковом кристалле, одна часть которого легирована акцепторной примесью (р-область), а другая – донорной (n-область). В области p-n- перехода существует двойной электрический слой неподвижных объёмных зарядов, а именно: ионов акцепторной и донорной примеси. Этот двойной слой создает контактное (диффузионное) электрическое поле и потенциальный барьер для основных носителей высотой qк (к - контактная разность потенциалов).
Пусть энергия световых квантов больше или равна ширине запрещенной зоны (), тогдав области p-n - перехода образуются пары неравновесных носителей тока: фотоэлектроны и фотодырки.
Под действием контактного электрического поля происходит разделение образовавшихся неравновесных носителей: фотоэлектроны переходят в n-область, а фотодырки вp-область (рис.5).
Перешедшие в n-область фотоэлектроны создают в ней избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, т.е. заряжаютn- область отрицательно. Фотодырки заряжаютp - область полупроводника положительно.
Процесс накопления неравновесных носителей (электронов в n- , дырок вp-области) сопровождаются снижением высоты потенциального барьера на границеp-иn-областей и увеличением диффузии основных носителей через переход. Наступает динамическое равновесие. При этом междуp-иn-областями полупроводника устанавливается некоторая разность потенциаловф.
Разность потенциалов ф, возникшую междуp-иn-областями полупроводника в результате воздействия наp-n-переход излучения называютфото-Э.Д.С.. Она может достигать величины 1 В, но не превышает значения, численно равного(Е– ширина запрещенной зоны исходного полупроводникового материала,q– заряд электрона).
Явление вентильного фотоэффекта используют в различных фотоэлектрических приборах. Фотоэлектрический прибор с электронно-дырочным переходом может работать в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы прибора с внешним источником питания называют фотодиодным, а без внешнего источника – режимомгенерации фото-Э.Д.С.
Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения называетсявольтамперной характеристикой. Уравнение вольтамперной характеристикиp-n-перехода при воздействии на него квантов света можно записать в виде:
, (5)
где U– внешнее напряжение, приложенное кp-n-переходу;i0– значение, к которому стремится обратный токp-n-перехода при увеличении обратного напряжения при отсутствии освещения;iф– фототок, т.е. ток, созданный возбуждёнными светом носителями.
На рис.6 приведены вольт-амперные характеристики p-n-перехода, при различных световых потокахФ. При отсутствии освещенияФ=0,iФ=0и вольтамперная характеристика проходит через начало координат, т.е. имеет обычный вид. Кривые, соответствующие определенным световым потокамФ1и Ф2, смещаются по оси ординат на отрезки–iф1 и - iф2 соответственно.
При достаточно больших прямых напряжениях ток через переход определяется слагаемым в выражении (5), содержащим экспоненциальный множитель , и практически не зависит от величины падающего светового потока. При достаточно больших обратных напряжениях (участокdcвольтамперной характеристики) экспоненциальный член становится пренебрежительно малым; величина обратного тока равна:
/iобр/=i0+iф . (6)
Выражение (6) позволяет определить величину фототока через переход.
Световые характеристики p-n-перехода приведены на рис.7.