Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
117
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
282.62 Кб
Скачать

СТАВРОПОЛЬСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ

Кафедра радиоэлектроники

«УТВЕРЖДАЮ»

НАЧАЛЬНИК КАФЕДРЫ №5

Экз.№

полковник

В. Никулин

199 г.

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине

«Электронные, твердотельные приборы и микроэлектроника»

для курсантов

2 –х курсов СВВИУС

Тема:

№ 10

Фотоэлектрические приборы. Оптроны

Лекция

№20

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы. Оптроны

Обсуждено на заседании кафедры (ПМК)

199 г.

Протокол №

Ставрополь 1997 г.

Учебные и воспитательные цели:

показать пути и перспективы развития и применения фотоэлектрических приборов;

увязать возможности применения ФЭП с повышением качества и эффективности функционирования РЭА;

познакомить обучаемых с основными достижениями оптоэлектроники

Время ........................

90 мин.

Учебно-материальное обеспечение

  1. Диафильм «Полупроводниковые фотоэлектрические приборы»

  2. ЛЭТИ

Распределение времени лекции

Вступительная часть ........................

5 мин.

Учебные вопросы лекции

  1. Общие сведения о фотоэлектрических приборах

  2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фоторезисторов

  1. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фотодиодов и фототранзисторов.

  2. Оптроны

Заключение

15 мин.

20 мин

27мин

15 мин.

5 мин

Задание курсантам для самостоятельной работы..................

3 мин.

Задание курсантам для самостоятельной учебной работы, список рекомендуемой литературы и методические указания

Использованная при подготовке лекции литература

Лекцию разработал

ст. преподаватель кафедры № 5

майор С. Бондарь

« « 1998 г.

Содержание лекции

1. Общие сведения о фотоэлектронных приборах.

Фотоэлектронным (фотоэлектрическим) прибором называют преобразователь энергии оптического (светового) излучения в электрический ток.

В основе принципа действия прибора лежат внешний или внутренний фотоэффекты.

Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) - это процесс испускания электронов веществом (выхода электронов за пределы поверхности вещества) под действием электромагнитного излучения. Он наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и используется в ионных и электронных фотоэлементах (ФЭ), фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Внутренний фотоэффект - это, в общем случае, вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу.

В частности, внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. Первый тип взаимодействия, включающий такие процессы, как пропускание, отражение, рассеяние, вращение плоскости поляризации и другие, к фотоэффекту отношения не имеет. Лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела. Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются.

Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. В полупроводниках фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных.

Собственные переходы, (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости описывается выражением:

(1)

где - энергия кванта излучения;

- ширина запрещенной зоны.

Примесное поглощение (примесная фотопропроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон.

Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов: для очень мелких акцепторных и донорных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-диапазона.

Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок.

Третье отличие заключается - в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов.

Рис.1 Классификация фотоэлектронных приборов

Таким образом, примесное поглощение следует использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница примесного фотоэффекта также определяется формулой (1), если в ней заменить на энергетический зазор между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен носителями заряда.

Итак, при поглощении фотонов в полупроводнике (и в твердом теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых (собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете, приводит лишь к разогреву кристалла.

Возникновение свободных носителей заряда под действием излучения составляет основу различных фотоэлектрических эффектов. В оптоэлектронике находят применение две формы проявления этих эффектов: фотопроводимость - увеличение проводимости материала, появление добавочной составляющей проводимости под действием излучения (наблюдается в однородных достаточно протяженных полупроводниковых образцах) и фотогальванический эффект, возникающий при воздействии излучения на структуры со встроенным потенциальным барьером (р-n переход, барьер Шотки и т. д.).

Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют «физический фундамент», на котором основано действие большинства фотоприемников.

В силу указанных причин, правомерна следующая классификация (см. рис.1).