ЗМІСТ
ВСТУП 4
1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА внутрішнього фотоефекту 5
2. ВИКОРИСТАННЯ внутрішнього фотоефекту ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН 12
2.1 Фотоелектричніперетворювачі 12
2.2 Датчики положення 19
2.3 двухкоординатні вимірположення 22
2.4 Датчики шорсткості 24
ВИСНОВОК 26
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 27
ВСТУП
Одним з найбільш важливихпріоритетів у розвитку людства є відкриття і використання новихвидів енергії, одним з яких стало відкриття явища фотоефекту. З 1876року, коли у Великобританії був створений перший фотоелемент, до наших дніввчені працюють над вдосконаленням цієї технології, підвищенням її ефективності.Однак справжня історія використання напівпровідникових перетворювачів почаласяв 1958-му, коли на третьому радянському як джерело енергії буливстановлені сонячні кремнієві батареї, з тих пір основне джерело енергії вкосмосі. У 1974 році вчені приступили до промислового виробництва сонячнихбатарей на гетероструктурах, тоді ж цими батареями стали оснащуватисяштучні супутники. Зараз у світі йде робота над подвоєнням потужностісонячних фотоелектричних установок. Це найбільш перспективний спосіботримання і використання енергії на Землі. Поки, правда, це найдорожчий виденергії, але в перспективі її вартість буде порівнянна з тією, що виробляєтьсяна атомних станціях. Тим більше що така енергія екологічно безпечна ізапаси її практично невичерпні. За оцінками фахівців, у 2020 році до 20% Світової електроенергії здійснюватиметься за рахунок фотоелектричногоперетворення сонячної енергії в машинобудуванні, приладобудуванні медицині, космосіта інших галузях. Вже зараз багато напрямків, на яких сонячна енергіязнаходить широке застосування-це мобільний телефонний зв'язок, якої необхіднаавтономне живлення антен за відсутності ліній електропередач. [1]
1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА внутрішнього фотоефекту
Внутрішній фотоефект являє собою процес утворення вільних носіївзаряду всередині речовини при впливі випромінювання. Взаємодія випромінювання зречовиною (далі будемо розглядати тільки напівпровідники)може відбуватися без зміни або зі зміною енергії падаючого кванта. Вцьому випадку лише поглинання фотонів представляє інтерес. При цьому, однак,можливо таке поглинання, при якому енергія фотона переходить в пружні коливаннякристалічної решітки, іншими словами, в енергію фононів, в результатіпоглинання випромінювання викликає підвищення температури тіла.
Цей ефект знаходить і практичне застосування в одній ізрізновидів фотоприймачів - болометр, але через невисоку чутливостіі низької швидкодії болометри в оптоелектроніці не застосовуються. Лишебезпосереднє збудження атомів, що полягає в появі додатковихносіїв заряду (фотоносіїв), відноситься до фотоефекту. Фотоефектпроявляється в електронних переходах двох типів: власних (фундаментальних) тадомішкових (малюнок 1.1).
Власні переходи (або власна провідність) супроводжуються збільшеннямконцентрації вільних носіїв обох знаків - і електронів, і дірок.Математичне умова початку виникнення власної фотопровідності записуєтьсятак:
, (1.1)
де hv - енергія кванта випромінювання.
Привиконанні цієї умови поблизу кордону поглинання, відповідної рівності в(1.1), залежність коефіцієнта поглинання від енергії кванта для прямозоні інепрямозонних напівпровідників відповідно має вигляд:
(1.2)
(1.3)
де А і В - константи;
- енергія фонона, а вибір знака в (1.3) залежить від того, чи йде процес звіддачею енергії фононів (плюс) або з отриманням енергії від нього (мінус).
Малюнок 1.1 - Власні (1) і домішкові (2, 3) фотопереходиелектронів в напівпровіднику (Е л - рівень пастки)
Малюнок 1.2 - Спектральні залежності зворотного коефіцієнтапоглинання () деяких напівпровідників
прямозоні переходи відбуваються без зміни імпульсуелектрона (), тобто для їхздійснення не потрібно участі якогось третього тіла, а необхідна лишезустріч електрона і дірки; такі переходи являють собою імовірнісніпроцеси першого порядку. При непрямозонних переходах обов'язкове передачачастини імпульсу фононів (). Цепроцеси другого порядку, і їх вірогідність набагато менше (на кількапорядків), ніж прямозоні переходів.
Рівність в (1.1) визначає червону межу фотоефекту
, (1.4)
де О» гр , мкм; E g , еВ.
Поблизуцієї межі П‡ росте дуже швидко, змінюючись, як правило, на 3-4 порядкупри збільшенні енергії кванта на 0,1 еВ (малюнок 1.2). При виконанні умови(1.1) кожен поглинений фотон породжує одну пару електрон - дірка або, іншимисловами, квантова ефективність О· = l. Це положення зберігається при підвищенні енергії квантів, ілише при hП…> (2 ... 3) E g квантова ефективність починає зростати. При дужевеликих енергіях квантів на генерацію пари носіїв у середньому затрачаєтьсяпорція енергії близько 3E g . Таким чином,енергетично найбільш вигідний фотоефект, що викликається квантами з hv ≈ E g ; при перетворенні високоенергетичних квантів (короткохвильовевипромінювання) значна частина їх енергії перетворюється на тепло.
Край спектра поглинаннянапівпровідника О» гр може зміщуватися в довгохвильову сторону придодатку електричного поля; це явище відоме як ефект Келдиша -Франца. Дія електричного поля призводить до нахилу енергетичних зон впросторі, так що при енергії квантів hv g електрон може відірватися від атома внаслідок тунелювання міжстанами валентної зони і зони провідності, розділеними в кристалі малимвідстанню О”П‡ (малюнок 1.3). Розрахунок показує, що шириназабороненої зони зменшується пропорційно квадрату напруженостіелектричного поля; цей зсув для арсеніду галію близько 10 -15 еВ в€™ В -2 в€™ см -2 .При реально досяжних електричних полях вдається змістити край поглинання накілька сотих часток електрон-вольта, що за абсолютною величиною мало, алеможе приводити до зміни коефіцієнта поглинання на три порядки. ЕфектКелдиша - Франца використовується для створення високошвидкісних модуляторів світла.
Рисунок 1.3 - Енергетична діаграма напівпровідника придії сильного електричного поля і квантовий перехід електрона звалентної зони в зону провідності, що ілюструє ефект Келдиша-Франца
домішкові поглинання (домішкова фотопровідність) маємісце тоді, коли енергії квантів не вистачає для утворення електронно-дірковоїпари, але її достатньо, щоб порушити домішковий атом до стану, коли утворюєтьсявільний електрон і пов'язана дірка або вільна дірка і пов'язаний електрон(Див. малюнок 1.1). Перша відмінність домішкової фотопровідності від власноїполягає в меншій енергії поглинаються квантів; для дуже дрібних акцепторних і донор-нихрівнів енергія цих квантів може бути в десятки і сотні разів менше E g . У цьому зв'язку домішкова фотопровідність відкриває широкіможливості створення фотоприймачів ІЧ-діапазону (включаючи дальній ІЧ-та субміліметровийрадіодіапазон).
Друга відмінність полягає в тому, що домішкові поглинання ведедо генерації лише одного типу носіїв - електронів чи дірок, і третє - вте, що ефективність домішкового поглинання значно менше, ніжвласного: в типових випадках концентрація домішкових атомів значноменше (на 6-8 порядків), ніж атомів самого напівпровідника. Звідси випливає, щодля реалізації поглинання на домішках необхідно використовувати напівпровідникивеликої товщини, а це завжди веде до небажаного збільшення тривалостірелаксаційних процесів. Таким чином, домішкові поглинання слідвикористовувати лише в тих випадках, коли не вдається підібрати напівпровідник звласним поглинанням в тій же області спектра. Довгохвильова границядомішкового фотоефекту також визначається формулою (1.4), якщо в ній Е g замінити на енергетичний зазорміж домішковим центром і дозволеної зоною, з якої здійснюється обміннос...
