Фотоэлементы
Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводникахВ 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 эффектЯвлением 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 = e (n ni + p pi), (1)где e – заряд электрона; n – подвижность электронов; p – подвижность дырок; ni – концентрация генерируемых электронов; pi – 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 условиюhкр W, (2)где h – постоянная Планка; W – ширина запрещенной зоны полупроводника; кр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).Излучение с частотой < кр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения h < W недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же h > W, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.Критической частоте кр соответствует граничная длина волныгр = с / кр, (3)где с - скорость света (3108 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.ФоторезисторыКонструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой токФоторезисторами 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 токIт = 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 токIс = E / (Rс + Rн). (5)Разность между световым и темновым током дает значение тока I<...
Другие файлы:
Твердые выпрямители и фотоэлементы
Книга Наследова и Немевова "Твердые выпрямители и фотоэлементы" освещает и знакомит с физико-техническими основами одного из разделов физики - превращ...
Полупроводниковые фотоэлементы
Солнечные электростанции
Фотоэлектрические и термодинамические солнечные электростанции, их типы. Технологии получения электричества из солнечного излучения; экология. Физичес...
Принцип действия фотоэффекта
История открытия фотоэффекта. Схема установки, задачи и выводы Столетова. Основные законы, красная граница, применение фотоэффекта. Вакуумный фотоэлем...
Фотоэлементы и их применение
В книге приведены основные Сведении из светотехники, описаны устройство и принцип действия современных фотоэлементов (вакуумных и газонаполненных, вен...
