ГОС / Смирнов / Smirnov_1-6_voprosy

1 вопрос.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - электромагнитные волны ,длины к-рых заключены в диапазоне с условными границами от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~3 х 10¹⁷ - 3 х 10¹¹ Гц). К О. и. помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение .Физ. свойства О. и. этих поддиапазонов и методы исследования характеризуются значит. степенью общности. Для оптич. методов исследования характерно формирование направленных потоков О. и. с помощью оптических систем.  В оптич. диапазоне отчётливо проявляются одновременно и волновые, и корпускулярные свойства эл--магн. излучения. Волновые свойства О. и. позволяют дать объяснения явлениям его дифракции, интерференции, поляризации. В то же время процессы фотоэлектронной эмиссии, теплового излучения невозможно понять, не привлекая представления об О. и. как о потоке частиц - фотонов. Эта двойственность природы О. и. находит общее объяснение в квантовой механике. Скорость распространения О. и. в вакууме (скорость света) с3 х 10¹⁰ см/с в любой др. среде скорость О. и. меньше. Определяемое отношением этих скоростей значение показателей преломления среды в общем случае неодинаково для разных монохроматич. составляющих О. и., что приводит к дисперсии О. и. Разл. виды О. и. классифицируют по след. признакам: по природе возникновения (тепловое, люминесцентное, синхротронное, Вавилова - Черенкова), особенностям испускания атомами и молекулами (спонтанное, вынужденное), степени однородности спектрального состава (монохроматич., немонохроматич.), степени пространственной и временной когерентности, упорядоченности ориентации электрич. и магн. векторов (естественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически), степени рассеяния потока излучения (направленное, диффузное, смешанное) и т. д.  Падающий на поверхность к--л. тела поток О. и. частично отражается,частично проходит через тело и частично поглощается в нём.Поглощённая часть энергии О. и. преобразуется в осн. в тепловую, повышая темп-ру тела, однако возможны и др. виды преобразования энергии - фотолюминесценция, фотохим., фотоэлектрич., фотобиол. эффекты и др. 

2 вопрос.

Фотоэффе́кт это испускание электронов веществом под действием света(и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения).

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям втвердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Онпроявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновениюфотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимость – явление увеличения электропроводности вещества при освещении.  Фотопроводимость присуща полупроводникам. Электропроводность полупроводников ограничена нехваткой носителей заряда. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложенной к полупроводника напряжении вносят вклад в электрический ток.  При возбуждении фотопроводимости в собственном полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из примесного уровня, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Это обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения. Условием высокой фотопроводимости является также большой коэффициент поглощения света, который реализуется в прямозонных полупроводниках.  Явление фотопроводимости используется в фотоэлементах, важнейшей составной частью которых является фоторезисторы. Фотопроводимость важна также для детектирования инфракрасного излучения и применяется, например, в приборах ночного видения. Увеличение проводимости при освещении используется также в ксерографии, при которой электрические заряды стекают с освещенных мест предварительно наэлектризованное плоскости полупроводникового барабана. 

3 вопрос.

4 вопрос.

5 вопрос.

Лавинный фотодиод – это фотоприемник, в котором повышение квантовой эффективности реализуется за счет внутреннего усиления благодаря лавинному умножению в обратно смещенном p-n переходе.

Рисунок 5.8 Принцип действия лавинного фотодиода.

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

•  Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны:

(5.5.1)

• Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега

(5.5.2)

Значение коэффициентов внутреннего усиления   составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

На рисунке 5.9 представлен лавинный фотодиод на германиевой подложке для длин волн 1300nm. Данный вид лавинного фотодиода является одним из самых распространенных, ввиду свой простоты в изготовлении и высоких характеристик.

Рисунок 5.9 Конструкция лавинного фотодиода.

Диод состоит из высоколегированной германиевой подложки p-типа (p~ 5*10¹⁵ cm^-3) со связанными зарядами n⁺ на поверхности полученными при помощи диффузии или ионной имплантации. Чтобы избежать поверхностного пробоя n⁺ слой окружен слабо легированным n носителями охранным кольцом. Область регистрации инфракрасного света имеет диаметр 100m, и из-за присутствия охранного кольца, она меньше чем площадь поверхности связанных зарядов. Просветляющее покрытие увеличивает квантовую эффективность этого диода.

Требование высоких значений внутреннего усиления накладывают достаточно жесткие ограничения на качество и однородность полупроводникового материала, поскольку коэффициент умножения экспоненциально сильно зависит от напряженности электрического поля.

Требование высоких обратных напряжений и прецизионной установки напряжения питания усложняют их эксплуатацию. Обычно сочетают преимущества лавинного и pin-фотоприемника. На рисунке 5.10 как раз приведена такая конструкция – гетероструктура InGaAsP на подложке InP позволяет реализовать быстродействующие FPU с напряжением питания от 300 до 400 вольт.

Рисунок 5.10 Конструкция лавинного фотодиода на гетероструктуре.

6 вопрос.

ФОТОТРАНЗИСТОР - транзистор (обычно биполярный), в к-ром управление коллекторным током осуществляется на основе внутр. фотоэффекта; служит для преобразования световых сигналов в электрические с одноврем. усилением последних. Основу Ф. составляет монокристаллполупроводника со структурой п-р-п- или р - п-р-типа. Кристалл монтируется в защитный корпус с прозрачным входным окном. Включение Ф. во внеш. электрич. цепь подобно включению биполярного транзистора, выполненному по схеме с общим эмиттером и оборванным базовым выводом (нулевым током базы). При попадании излучения на базу (или коллектор) в ней образуются парные носители зарядов (электроны и дырки), к-рые разделяются электрич. полем коллекторного перехода. В результате в базовой области накапливаются осн. носители заряда, что приводит к снижению потенц. барьера эмиттерного перехода и увеличению тока через Ф. по сравнению с током, обусловленным переносом только тех носителей, к-рые образовались непосредственно под действием света.

Основные параметры и характеристики фототранзистора: и н т е г р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (отношение фототока к падающему световому потоку); у Ф., изготовленных по диффузионной планарной технологии, она достигает 10 А/лм; с п е к т р а л ь н а я х а р а к т е р и с т и к а (зависимость чувствительности к монохроматич. излучению от длины волны этого излучения), позволяющая, в частности, установить ДВ-границу применимости Ф.; эта граница (в случае собств. поглощения зависящая прежде всего от ширины запрещённой зоны полупроводникового материала) для германиевого Ф. составляет 1,7 мкм, кремниевого-1,1 мкм; п о с т о я н н а я в р е м е н и (характеризующая инерционность Ф.) не превышает неск. мкс; темновой ток (ток через Ф. при отсутствии излучения) не превышает десятков нА. Кроме того, Ф. характеризуется к о э ф ф иц и е н т о м у с и л е н и я п е р в о н а ч а л ь н о г о т о к а, достигающим 10²-10³.

Высокие надёжность, чувствительность и временная стабильность параметров Ф., а также малые размеры и относит. простота конструкции позволяют широко использовать Ф. в системах контроля и автоматики в качестве датчиков освещённости и элементов гальванич. развязки.