Использование внутреннего фотоэффекта для измерения физических величин

Белорусский Национальный Технический  Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная  техника и технологии»

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы измерений»

Использование внутреннего фотоэффекта для измерения физических величин

 

 

 

 

 

Исполнитель:	студент группы 113319 Ткаченко А. Ф.
Руководитель:	профессор Джилавдари И. З.

 

 

 

 

 

 

Минск 2011

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ           4

1 ОПИСАНИЕ  ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА     5

1.1 Внутренний  фотоэффект         5

1.2 Собственные  и примесные электронные переходы    8

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА  ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН         15

2.1 Фотоэлектрические  преобразователи       15

2.2 Датчики положения          22

2.3 Двухкоординатное измерение положения      25

2.4 Датчики шероховатости         28

3 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОГРАНИЧИВАЮЩИХ  ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ НА ОСНОВЕ  ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА   30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ           33

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ     34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Явление фотоэффекта было открыто около  полутора сотни лет назад, однако и до наших дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности.

Подлинная история использования полупроводниковых  преобразователей началась в 1958-м, когда  на третьем советском в качестве источника энергии были установлены  солнечные кремниевые батареи, с  тех пор основной источник энергии  в космосе. В 1974 году ученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле.

Помимо  источников энергии внутренний фотоэффект нашел применение в измерительной  технике. На основе этого эффекта  производят различного рода фоточувствительные элементы. Это различные фотоэлектрические  преобразователи, датчики положения  и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОПИСАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

 

1.1 Внутренний фотоэффект

 

 

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется испускание электронов веществом  под действием света.

В кристаллических полупроводниках  и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний фотоэффект, состоящий в том, что под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет возрастания в них числа свободных носителей тока (электронов проводимости и дырок). Это явление часто называют еще фотопроводимостью. Его можно легко объяснить на основе зонной теории кристаллических твердых тел. Напомним, что в диэлектрике и беспримесном полупроводнике зона проводимости не содержит электронов, а лежащая ниже ее следующая (валентная) зона целиком заполнена электронами (рисунок 1.1, а). Разность между энергиями на нижнем уровне зоны проводимости и верхнем уровне валентной зоны называется энергией активации проводимости вещества. У полупроводников значительно меньше, чем у диэлектриков. Если энергия фотона то при поглощении фотона электрон может быть переброшен из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, под действием света в зоне проводимости появятся электроны, а в валентной зоне — «положительные дырки». Эти пары разноименных носителей заряда способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Очевидно, что концентрация электронов проводимости и дырок, а также зависящая от нее электропроводимость вещества пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности вещества за единицу времени, т. е. интенсивности монохроматического света. Красная граница для фотопроводимости

.                                                        (1.1)

В примесных  полупроводниках с небольшим содержанием примесей вероятность поглощения фотонов электронами примесных атомов мала. Поэтому изменение проводимости под действием света также в основном связано с перебросом электронов из валентной зоны в зону проводимости и образованием пар разноименных носителей заряда — электронов проводимости и дырок. Однако характер проводимости для электронных (n-типа) и дырочных

 

Рисунок 1.1 –  Зона проводимости в диэлектрике  и полупроводнике

 

(p-типа) примесных полупроводников различен. В электронном полупроводнике имеются примесные донорные уровни энергии а, которые находятся вблизи «дна» зоны проводимости и заняты электронами (рисунок 1.1, б). В процессе образования под действием света электронно-дырочных пар положительные дырки рекомбинируют с электронами донорной примеси. Поэтому фотопроводимость n-полупроводника имеет чисто электронный характер. В дырочном полупроводнике поглощение фотонов вызывает переход части электронов из валентной зоны в зону проводимости, а оттуда на вакантные акцепторные примесные уровни б, расположенные вблизи верхнего края валентной зоны (рисунок 1.1, в). При этом в валентной зоне образуются «положительные дырки», так что фотопроводимость p-полупроводника является чисто дырочной.

Внутренний фотоэффект нашел практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников - болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются.

На внутреннем фотоэффекте также основано действие так называемых фотосопротивлений. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. Поэтому фотосопротивления применяются для целей фотометрии. Первым полупроводником, нашедшим применение для этих целей, был селен. В последнее время для видимой части спектра стали широко применяться фотосопротивления из CdS. Фотосопротивления из полупроводников PbS, PbTe, PbSe и InSb используются в качестве детекторов инфракрасного излучения; они намного превосходят термоэлектрические болометры.

 

Рисунок 1.2 –  Ход потенциальной энергии электронов и дырок в области p-n перехода

 

В области p-n перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-э. д. с). На рисунке 1.2 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (пунктирная кривая) в области р-n перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, проходят через переход. В результате в n-области накапливается избыточный положительный заряд, в p-области — избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу.

Если р- и n-области кристалла подключить к внешней нагрузке, в ней будет течь ток. При не очень больших освещенностях сила тока пропорциональна падающему на кристалл световому потоку. На этом основано действие фотоэлектрических фотометров, в частности, применяемых в фотографии экспонометров. Несколько десятков соединенных последовательно кремниевых p – n-переходов образуют солнечную батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на спутниках.

 

1.2 Собственные  и примесные электронные переходы

 

 

Фотоэффект  проявляется в электронных переходах  двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных (рисунок 1.3).

Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков - и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так:

                                                             (1.2)

где hv - энергия кванта излучения.

При выполнении этого условия вблизи границы  поглощения, соответствующей равенству  в (1.2), зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и непрямозонных полупроводников соответственно имеет вид:

                                       (1.3)

                         (1.4)

где      А и В - константы;

- энергия фонона.

Выбор знака в (1.4) зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус).

Рисунок 1.3 - Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Е_л - уровень ловушки)

 

Рисунок 1.4 - Спектральные зависимости обратного коэффициента поглощения (

) некоторых полупроводников

 

Прямозонные переходы происходят без изменения  импульса электрона ( ), т.е. для их осуществления не требуется участия какого-либо третьего тела, а необходима лишь встреча электрона и дырки; такие переходы представляют собой вероятностные процессы первого порядка. При непрямозонных переходах обязательна передача части импульса фонону ( ). Это процессы второго порядка, и их вероятность намного меньше (на несколько порядков), чем прямозонных переходов.

Равенство в (1.2) определяет красную границу фотоэффекта

 

,                                                        (1.5)

 

где      λ_гр, мкм;

E_g, эВ.

Вблизи  этой границы χ растет очень быстро, изменяясь, как правило, на 3-4 порядка  при увеличении энергии кванта на 0,1 эВ (рисунок 1.4). При выполнении условия (1.2) каждый поглощенный фотон порождает одну пару электрон - дырка или, иными словами, квантовая эффективность η=l. Это положение сохраняется при повышении энергии квантов, и лишь при hυ> (2...3)E_g квантовая эффективность начинает возрастать. При очень больших энергиях квантов на генерацию пары носителей в среднем затрачивается порция энергии около 3E_g. Таким образом, энергетически наиболее выгоден фотоэффект, вызываемый квантами с hv≈E_g; при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолновое излучение) значительная часть их энергии переходит в тепло.

Край  спектра поглощения полупроводника λ_гр может смещаться в длинноволновую сторону при приложении электрического поля; это явление известно как эффект Келдыша - Франца. Действие электрического поля приводит к наклону энергетических зон в пространстве, так что при энергии квантов hv<E_g электрон может оторваться от атома вследствие туннелирования между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в кристалле малым расстоянием Δχ (рисунок 1.5). Расчет показывает, что ширина запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10^-15 эВ∙В^-2∙см^-2. При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на несколько сотых долей электрон-вольта, что по абсолютной величине мало, но может приводить к изменению коэффициента поглощения на три порядка. Эффект Келдыша - Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света.

Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон (рисунок 1.3). Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов; для очень мелких акцепторных и донор-ных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше E_g. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-диапазона (включая дальний ИК- и субмиллиметровый радиодиапазон).

Рисунок 1.5 - Энергетическая диаграмма полупроводника при воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша-Франца

 

Второе  отличие состоит в том, что  примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок, и третье - в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение следует использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница примесного фотоэффекта также определяется формулой (1.5), если в ней Е_g заменить на энергетический зазор между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен носителями заряда.

Кроме рассмотренных  собственного и примесного поглощений имеется еще несколько механизмов взаимодействия квантов излучения с веществом, проявляющихся в фотоэффекте. Прежде всего необходимо отметить поглощение на свободных носителях заряда. Это приводит к перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий энергетический уровень, т. е. к так называемому разогреву носителей (например, электронов в зоне проводимости). Если обмен энергией между «горячим» электроном и зоной осуществляется быстро, то эта избыточная энергия переходит в тепло и фактически поглощенные таким образом кванты вклада в фотоэффект не дают. При типичных значениях Е_g ≈ 1эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей не менее 10¹⁹ – 10²⁰ см^-3, т. е. в относительно редких случаях. Если каким-то образом обмен энергией между «горячими» электронами и кристаллической решеткой замедлить (например, путем глубокого охлаждения), то это приведет к тому, что их подвижность будет отличной от подвижности обычных электронов проводимости. Это значит, что согласно (рисунок 1.3) изменится и проводимость образца. Подобный эффект, известный как μ- фотопроводимость, может использоваться для создания неизбирательных фотоприемников дальнего ИК-диапазона; в оптоэлектронике реального применения он не находит.