- •Использованная при подготовке лекции литература
- •Содержание лекции
- •1. Общие сведения о фотоэлектронных приборах.
- •2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фоторезисторов.
- •Параметры фоторезистора
- •Характеристики фоторезистора
- •3. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фотодиодов, фототранзисторов.
- •3.1. Фотодиоды
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
|
|
|
|
Распределение времени лекции |
|
Вступительная часть ........................ |
5 мин. |
Учебные вопросы лекции
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
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).