Оптичні і фотоелектричні явища в напівпровідниках.
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Оптичні і фотоелектричні явища в напівпровідниках.





 

У сучасній електронній техніці широко використовуються напівпровідникові прилади, засновані на принципах фотоелектричного перетворення сигналів. В основі першого з цих принципів є зміна електрофізичних властивостей речовини в результаті поглинання світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність або виникає е.р.с., в результаті змінюється струму в колі в якому включений фоточуттєвий елемент. Другий принцип пов'язаний з генерацією випромінювання в речовині, коли прикладають напругу та протікає струм через світловипромінювальний елемент струмом. Зазначені принципи складають наукову основу оптоелектроніки — нового науково-технічного напрямку, у якому для передачі, обробки і збереження інформації використовуються як електричні, так і оптичні засоби і методи.

Усе різноманіття оптичних і фотоелектричних явищ у напівпровідниках можна звести до наступних основних:

- поглинання світла і фотопровідність;

- фотоефект у р-п переході;

- електролюмінісценція;

Явищем фотопровідності називається збільшення електропровідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання.

При освітленні напівпровідника в ньому відбувається генерація електронно - діркових пар за рахунок переходу електронів з валентної зони в зону провідності. Внаслідок цього провідність напівпровідника зростає.

При освітленні електронно-діркового переходу і ділянок напівпровідників, що прилягають до нього, між ними виникає електрорушійна сила. Цей ефект називають фотогальванічним.

 
 

Розглянемо р - п структуру, у якої р - п перехід і безпосередньо прилягаюча до нього частина р - і n-областей піддаються дії світла (рис.2.2.1.) Потік падаючих на напівпровідник фотонів створює в ньому деяку кількість рухливих носіїв зарядів - електронів і дірок. Частина з них, дифундуючи до переходу, досягає його границі, не встигнувши рекомбінувати. На границі переходу електронно-діркові пари розділяються електричним полем переходу. Неосновні носії, для яких поле р - п переходу є прискорюючим, викидаються цим полем за перехід: дірки в р -, а електрони в n - області. Основні носії зарядів затримуються полем переходу у своїй області. У результаті відбувається нагромадження нескомпенсованих зарядів і на р-п переході створюється додаткова різниця потенціалів, називана фото-електрорушійною силою (фото-е. р. с.).



Величина фото-е.р.с. залежить від інтенсивності світлового потоку і звичайно складає десяті частинки вольта. Якщо коло p-n- структури при цьому замкнути, то в ній під дією фото-е.р.с. створюється електричний струм, сила якого залежить від величини світлового потоку й опору навантаження.

Фотогальванічний ефект використовується в вентильних фотоелементах, фотодіодах та фототранзисторах.

Фоторезистори.

 

Фоторезистори (рис. 2.2.2) виготовляють з напівпровіднико­вого матеріалу 4, який наносять тонким шаром на ізоляційну пластинку 5 і армують у оправку 2 з отвором для проходження оптичного випромінювання. Відкриту частину напівпровідникового шару покривають лаком 3. З протилежного боку до напівпровідникового шару прикріплюють електроди для вмикання фоторезистора в електричне коло.

Якщо на фоторезистор діяти потоком оптичних випромінювань, то опір його різко зменшується, що пояснюється внутрішнім фотоефектом - перерозподілом електронів у напівпровіднику при поглинанні випромінювань. Зміна опору зумовлює зміну струму в колі фоторезистора при подаванні напруги від зовнішнього джерела.

 
 

Промисловість випускає фоторезистори для вимірювання видимих, інфрачервоних, рентгенівських і гамма-випромінювань. Найширше застосовуються у сільськогосподарській автоматиці фоторезистори для видимих випромінювань, їх застосовують у схемах фотореле, пристроях контролю рівня, контролю полум'я теплогенераторів, газоаналізаторах тощо.

Нові типи фоторезисторів позначають літерами СФ (опір фоточутливий). Наприклад, СФ2-8 означає: опір фоточутливий на базі сірчистого кадмію, восьмої заводської розробки. Цифра 3 після літер СФ означає селенистий кадмій, цифра 4 - селенистий свинець.

 

Фотодіоди.

 

Фотодіод являє собою фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього підсилення, фоточуттєвий елемент якого містить структуру напівпровідникового діода. Фотодіод має в собі переваги напівпровідникових приладів (малі маса і розміри, великий термін служби, низька напруга живлення, економічність) з більш високою чутливістю в порівнянні з електровакуумними фотоелементами і фоторезисторами.

Пристрій фотодіода аналогічно пристрою звичайного напівпровідникового діода. На мал. 2.2.3 приведена конструкція типового фотодіода. Фотодіод виконаний так, що його р-п перехід однією стороною повернений до скляного вікна, через яке надходить світло, та захищає від впливу світла з інших сторін.

 
 

Схема включення фотодіода приведена на мал. 2.2.4. Напруга джерела живлення прикладена до фотодіода в зворотному напрямку. Коли фотодіод не освітлений, в колі проходить зворотній струм малої величини.

При освітленні фотодіода з'являється додаткове число електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід не основних носіїв заряду: електронів з р-області в п-область і дірок в зворотному напрямку. Це приводить до збільшення струму в колі. При правильно підібраному опорі навантаження і напрузі джерела живлення Е цей струм буде залежати тільки від освітленості приладу, а спадання напруги на опорі можна розглядати як корисний сигнал, що впливає на інші елементи схеми.

Фотодіоди, як і приймачі променистої енергії інших типів, широко застосовуються. Вони можуть використовуватися у фотометрії, фотоколориметрії, для контролю джерел світла, виміру інтенсивності висвітлення, прозорості середовища, реєстрації ядерних часток, автоматичного регулювання і контролю температури й інших параметрів, зміна яких супроводжується зміною оптичних властивостей чи речовини середовища. Широке застосування фотодіоди знаходять також у пристроях сучасних ЕОМ, в оптоелектронних схемах.

 

Фототранзистори.

 

Фототранзистор являє собою фотогальванічний приймач випромінювання, фоточуттєвий елемент якого містить структуру транзистора, що забезпечує внутрішнє підсилення.

 
 

Конструктивне оформлення одного з типових фототранзисторів (типу ФТ-1) показане на мал. 2.2.5. Прилад складається з германієвої пластини 5, у яку по обидва боки впаяні штирі індію, що утворюють колектор 6 і емітер 8. Пластина германія припаяна олов'яним кільцем до кристалотримача 7, який у свою чергу приварений до ніжки 10. Колектор і емітер за допомогою тонких виводів 9 з'єднані з провідниками 1, ізольованими від ніжки скляними ізоляторами 2. Базовий вивід 11 приварений до ніжки. Весь фототранзистор розміщений у герметичному корпусі 3, у якому є круглий отвір закритий склом 4.

 
 

Двополюсна схема включення фототранзистора показана на мал. 2.2.6. При такому включенні вивід бази фототранзистора залишається вільним, тобто струм бази Іб= 0. При освітлені бази в ній з'являються вільні електрони і дірки. Для бази фототранзистора типу р-п-р дірки є не основними носіями зарядів, тому вони втягуються полем колекторного переходу в колектор, збільшуючи струм у його колі. Основні носії зарядів, що залишилися в базі, (електрони) створюють просторовий заряд, що знижує висоту потенціального бар'єра емітерного переходу. При цьому полегшується перехід дірок з емітера в базу, а потім у колектор, що приводить до збільшення колекторного струму, що проходить через навантажувальний опір. Таким чином, навіть при невеликому світловому потоці, що падає на базу, струм колектора виявляється досить великим, що свідчить про високу чутливість фототранзистора.

Спочатку фототранзистори застосовувалися винятково в розглянутій вище двополюсній схемі включення. Тому в деяких конструкціях фототранзисторів базовий вивід відсутній. Такий фототранзистор по своїх параметрах відрізняється від фотодіода тільки більшою інтегральною чутливістю. Оскільки конструкція фототранзистора в основному не відрізняється від конструкції звичайного біполярного транзистора, характеристики цих двох приладів також однакові, якщо на вхід фототранзистора подається тільки електричний сигнал.

Фототранзистори використовуються як чуттєві елементи в різноманітних автоматичних пристроях, фототелеграфії, кінофотоапаратурі, у пристроях введення і виводу інформації в обчислювальній техніці, для реєстрації ультрафіолетового й інфрачервоного випромінювання і т.д . Крім того вони з великим успіхом використовуються в оптоелектроніці.

G Запам’ятайте:

- при вмиканні фоторезисторів у схеми слід пам'ятати, що напру­га на фоторезисторі не повинна бути більша від робочої напруги.

- основний недолік фотодіодів і фототранзисторів як чутливих елементів оптичного випромінювання полягає в тому, що їхні параметри залежать від температури. Тому при температурі навколишнього середовища, що перевищує 303 ... 313 К, їх не застосовують як оптичні датчики. Проте за цих умов їх можна використати як датчики температури.

sПитання для самоконтролю:

1. Які бувають фотоефекти?

2. Поясніть будову принцип дії фоторезистора, фотодіода, фототранзистора.

3. Яка структура позначень фоторезисторів?

4. Як залежить температура на параметри фотодіодів і фототранзисторів?

œ Тести:

1. Збільшення електропровідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання називається явище...

А. Люмінесценція.

Б. Фотопровідності.

В. Фотоефект.

2. Якщо на фоторезистор діяти потоком оптичних випромінювань, то його опір ...

А. Не зміниться.

Б. Збільшиться.

В. Зменшиться.

3. При освітленні фотодіода в його колі проходить зворотній струм ...

А. Зовсім не проходить.

Б. Великої величини.

В. Малої величини .

4. При освітленні бази фототранзистора в колі емітер-колектор ...

А. Не протікає струм.

Б. Протікає струм.

 

Випрямлячі змінного струму.

& Прочитайте і опрацюйте:

Л1, с. 202…225; Л3, с. 177…192, 206…220.

¨ Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки:









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.