Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяется проводимость вещества или возникает э. д. с., что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники – нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы.

Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным:

– поглощение света и фотопроводимость;

– фотоэффект в p-n переходе;

– электролюминесценция;

– стимулированное когерентное излучение.

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.

При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину

Ds = e (mn Dni + mp Dpi), (1)

где e – заряд электрона; mn – подвижность электронов; mp – подвижность дырок; Dni – концентрация генерируемых электронов; Dpi – концентрация генерируемых дырок.

Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. междузонный переход, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию

hnкр іDW, (2)

где h – постоянная Планка; DW – ширина запрещенной зоны полупроводника; nкр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).

Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > DW, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте nкр соответствует граничная длина волны

lгр = с / nкр, (3)

где с - скорость света (3·108 м/с). При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1.8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падющей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фотоактивным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление было названо фоторезистивным эффектом. Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых приборах – фоторезисторах, которые широко используются в современной оптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.

Фоторезисторы

Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн), (4)

где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн). (5)

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф = Iс – Iт. (6)

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: век реферат, курсовая работа по менеджменту.

1  2  3 | Следующая страница реферата