Фотоэлектромагнитый эффект. Эффект Дембера

Если на образец полупроводника падает электромагнитная волна и перпендикулярно световой волне приложено магнитное поле, то в направлении, перпендикулярном магнитному и световому полям возникает эдс (электрическое поле). На этом эффекте (ФЭМ-эффект) основана работа ряда приемников излучения. Инфракрасные приёмники на ФЭМ-эффекте нашли немногочисленные применения, что в основном связано с использованием большого магнита.

Эффект Дембера. Рассмотрим однородный полупроводник, на который падает свет. Поглощение света приводит к генерации носителей заряда, созданию электронно-дырочных пар. Но так как коэффициенты диффузии дырок и электронов различны, то происходит пространственное разделение носителей заряда: подвижные электроны уходят вглубь, дырки опаздывают. Освещенная поверхность заряжается положительно, неосвещенная – отрицательно. Возникает электрическое поле, направленное вдоль луча света.

Глава 4. Методы модуляции лучистого потока

Одним из основных средств выделения полезного сигнала на фоне помех является модуляция лучистого потока, что позволяет повысить чувствительность приборов. Поток излучения, поступив на приемник, создает электрический сигнал обычно небольшой мощности, поэтому его требуется усилить. Наибольшее распространение получили усилители переменного тока, при использовании которых требуется, чтобы сигнал, поступающий на вход усилителя, был переменным, что достигается с помощью модуляции. В зависимости от того, какая характеристика подвергается изменению, различают амплитудную, частотную, фазовую и поляризационную модуляции. Общей теории модуляции посвящены специальные разделы электротехнических и радиотехнических курсов. Для нормальной работы фотоприемника во времени необходимо, чтобы частота модуляции была бы меньше постоянной времени приемника примерно на два порядка. Для излучений видимого и ближнего ИК-диапазонов (10¹⁴-10¹⁵ Гц) возможны частоты модуляции с верхним пределом до 10¹¹-10¹² Гц. Простейшая модуляция света – периодическое механическое прерывание светового потока с помощью колеблющихся заслонок, зеркал или вращающихся дисков с отверствиями. Механические модуляторы можно использовать для частот не более 10 кГц. Высокие частоты модуляции недостижимы с помощью механических модуляторов. Приходится обращаться к различным физическим явлениям, возникающим при распространении света в различных средах. Остановимся на некоторых из них.

Большую группу модуляторов составляют электрооптические модуляторы. Под действием электрического поля в изотропных средах (газ, жидкость, твердое тело) наблюдается двулучепреломление: естественный луч разделяется на обыкновенные и необыкновенные лучи (преобразуется в две волны). Квадратичный электрооптический эффект – эффект Керра – наблюдается в кристаллах с центром симметрии. Линейный электрооптический эффект – эффект Поккельса – наблюдается в твердых телах, не имеющих центра симметрии.

В качестве примера рассмотрим модулятор с жидкостной ячейкой Керра. Поток света от осветителя собирается между обкладками ячейки Керра (конденсатора), помещенного в жидкость, обладающую свойством двойного лучепреломления. Между осветителем и ячейкой Керра расположен поляризатор, за ячейкой Керра расположен анализатор. В отсутствие напряжения на пластинах ячейки Керра происходит полное гашение лучистого потока. При подаче напряжения на ячейку Керра возникает двойное преломление, вследствие чего свет после конденсатора становится поляризованным эллиптически и частично проходит через анализатор, поле зрения просветляется. Наиболее часто в качестве наполнителя ячейки используется нитробензол, обладающий пропусканием в области от 0.4 до 2.1.мкм. Пропускание такого модулятора не превосходит 15%. Для модуляции излучения с использованием линейного электрооптического эффекта (эффект Поккельса) применяются в основном одноосные кристаллы кварца, ниобата, а также полупроводники ZnS, ZnSe, GaAs, GaP. Коэффициент пропускания таких модуляторов составляет (25 – 30) %, глубина модуляции – 90 %, частота модуляции может достигать (10¹³ – 10¹⁴) Гц. Электрооптические модуляторы обладают малой инерционностью.

Для модуляции в ближней инфракрасной области спектра применяются магнитооптические модуляторы, использующие явление поворота плоскости поляризации при приложении к монокристаллу магнитного поля (эффект Фарадея).

Эффект Франца-Келдыша. В полупроводниках в присутствии электрического поля имеет место поглощение фотонов с энергией меньшей, чем ширина запрещенной зоны материала. Это связано с тем, что электрическое поле приводит к наклону энергетических зон в пространстве. Электронам приходится туннелировать через треугольный потенциальный барьер (рис. 29). При напряженности поля F» 5×10⁶ В/см сдвиг края основной полосы Dx = (е²Fħ²/m*)^1/3 Эв, где m* - эффективная масса носителя заряда. Этот эффект имеет малую инерционность ~ 10^-13 с. К сожалению, край полосы поглощения сдвигается очень слабо, и для модуляции используется только свет, длина волны которого лежит у самого края

Рис. 29. Диаграмма энергетических зон и оптические переходы

полосы поглощения материала в присутствии сильного электрического поля.

Сдвиг края основной полосы поглощения можно получить, изменяя температуру полупроводника. Ширина запрещенной зоны E_g собственных полупроводников заметно изменяет свою величину с понижением температурой: либо в сторону уменьшения длины волны (напр., Ge, Si, InSb, InAs), либо в сторону её увеличения (напр., CdHgTe, PbTe, PbSnTe). Однако этот эффект довольно инерционен.

Глава 5. Тепловидение. Тепловизор. Фокальные, «смотрящие» матрицы излучения.

Дата добавления: 2014-01-05