КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Квантовые детекторы
В основе практически всех твердотельных квантовых детекторов (фотовольтаических и фотопроводящих) лежит квантовая теория излучения, базирующаяся на взаимодействии отдельных фотонов с кристаллической решеткой полупроводниковых материалов. Их принцип действия основан на явлении фотоэффекта, открытом А. Эйнштейном, за которое он получил Нобелевскую Премию. В 1905 году он предположил, что свет имеет квантовую природу, т.е. он состоит из потока элементарных частиц, каждая из которых обладает в заданных условиях определенной энергией. Эти частицы в дальнейшем были названы фотонами. Энергия одного фотона определяется следующим выражением: Е = hv, (1) где v - частота света, а h =6.626075•10-34 Дж•С - постоянная Планка, выведенная на основе волновой теории света. Столкновение фотона с поверхностью проводника может привести к образованию свободного электрона. Часть энергии фотона ф используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии Кm.. Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде: hv = ф + Кm, (2) где ф называется рабочей функцией испускающей поверхности, а Кm - максимальной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности. Аналогичные процессы происходят, когда полупроводниковый p-n переход подвергается воздействию светового излучения: фотон передает свою энергию электрону, и если эта энергия достаточно большая, электрон становиться свободным, что означает появление электрического поля. Периодическая решетка кристаллических материалов определяет значения разрешенных зон энергий для электронов, находящихся внутри твердого тел. Энергия любого электрона лежит в пределах одной из разрешенных зон, которые отделены друг от друга интервалами запрещенных значений энергии (запрещенными зонами).
Если излучение определенной длины волны (с достаточно высокой энергией фотонов, см. уравнение (1)) падает на поверхность полупроводникового кристалла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличивается, т.е. возрастает его удельная проводимость.
На рис. 2 показаны зоны энергий в полупроводниковом материале. Нижняя зона называется валентной зоной, которая соответствует электронам, связанным с кристаллической решеткой материала. В случае кремния или германия эти электроны участвуют в формировании ковалентных связей, обуславливающих внутриатомные связи внутри кристалла. Самый верхний слой называется зоной проводимости. Эта зона соответствует электронам, свободно перемещающимся по кристаллу. Электроны с такими энергиями участвуют в обеспечении электропроводности материала. Между этими зонами лежит зона запрещенных энергий, ширина которой определяется типом материала: либо полупроводника, либо диэлектрика. Количество электронов внутри кристалла соответствует полному заполнению всех возможных мест в валентной зоне. При отсутствии теплового возбуждения и у полупроводников, и у диэлектриков валентная зона является полностью заполненной, а зона проводимости - полностью пустой. В таких воображаемых условиях ни один из этих материалов не будет обладать электропроводностью. В металлах энергетические уровни в зоне проводимости являются не полностью заполненными. Поэтому электроны могут свободно перемещаться внутри материала, поскольку для перехода с уровня на уровень им не требуется обладать очень высокой энергией. Этим объясняется высокая электропроводность металлов. В диэлектриках и полупроводниках, для того чтобы попасть в зону проводимости, электронам приходится сначала преодолевать зону запрещенных энергий, которая для диэлектриков составляет порядка 5 эВ и более, а для полупроводников несколько ниже. Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводников (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.
Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис. 2А), он выбивает из его валентной зоны электрон и передает ему достаточное количество кинетической энергии, чтобы он мог перескочить зону запрещенных энергий и попасть в зону проводимости, т.е. на более высокий энергетический уровень. В зоне проводимости электрон является свободным носителем заряда. Недостаток электрона в валентной зоне означает появление там дырки, которая тоже может рассматриваться как свободный носитель противоположного электрону заряда. Увеличение количества дырок выражается в уменьшении удельного сопротивления материала. На рис. 2Б показано, что происходит, когда фотон обладает низкой энергией, недостаточной для преодоления электроном зоны запрещенных энергий. Как видно из рисунка, в этом случае свободные носители зарядов не образуются. Ширина зоны запрещенных энергий служит тем порогом, ниже которого материал не является фоточувствительным. Однако не следует представлять порог в виде резкой границы. Во время фотоэффекта всегда выполняется закон сохранения моментов движения. Момент движения и плотность дырок и электронов в зонах валентности и проводимости являются максимальными в центре и падают до нуля у верхнего и нижнего краев зон. Поэтому вероятность возбужденному в валентной зоне электрону найти место в зоне проводимости гораздо выше в центре зон, чем по краям. Поэтому спектральная фоточувствительность материала начинает расти с энергии фотона, постепенно доходит до максимума и потом снова падает до нуля при энергии, соответствующей разности между нижней энергией валентной зоны и верхней энергией зоны проводимости. Типовая спектральная характеристика полупроводникового материала показана на рис. 3. При введении в материал определенных примесей можно менять фоточувствительность материала. Этот способ можно использовать для изменения формы или получения сдвига спектральной характеристики кристалла. Все приборы, напрямую преобразующие фотоны электромагнитных излучений в носители зарядов, называются квантовыми детекторами. К таким устройствам относятся фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы.
Фотодиоды. Фотодиоды - это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие включает в себя даже солнечные батареи. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излучения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возрастет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток смещения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 4) ток возрастает очень сильно. Столкновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар электрон-дырка на обоих концах перехода. При попадании электронов в зону проводимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Соответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока ip В темноте ток утечки i0 не зависит от приложенного напряжения, а причиной его возникновения является тепловая генерация носителей зарядов. На рис. 5А показана эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и RС -цепи. Процесс оптического детектирования заключается в прямом преобразовании оптической энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Таким образом, электрический ток пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения. На рис. 5Б показана вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высоким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V = 0) ток связан с оптической мощностью линейной зависимостью. Вольтамперную характеристику фотодиода можно описать выражением: (3) где io - обратный темновой ток, возникающий из-за тепловой генерации пар электрон-дырка, is - ток, соответствующий детектируемому оптическому сигналу, m - постоянная Больцмана, а Т - абсолютная температура.
Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 728; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |