Розрахунок залежності фото електрорушійної сили напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Кафедра електроніки та наносистем

Курсова робота

з дисципліни «Фізичні основи електроніки»

Розрахунок залежності фото електрорушійної сили напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

студента 2 курсу, групи ЕП-14б

напрямку підготовки6.050802

«Електронні пристрої та системи»

Костюченка В.В.

Керівник:

к.т.н., доц. Мартинюк В.В.

м. Вінниця 2016 рік



Зміст

фотоелектричний транзистор випромінювання

Вступ

1. Фотоелектричні прилади на основі внутрішнього фотоефекту

1.1 Фоторезистори

1.2 Фотодіоди

1.3 Фототранзистори

2. Розрахунок залежності фото ЕРС напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

Висновок

Список використаної літератури



Вступ

Актуальність теми

Актуальність даної курсової роботи полягає в тому, що останні роки в Фото електроніці досягнуто ряд істотних успіхів. Досить важливу роль, фото електронні прилади відіграють у сучасній техніці і в наукових дослідженнях.

Мета дослідження

Метою даної курсової роботи є розрахунок залежності фото ЕРС напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння.

Задачі дослідження:

В даній курсовій роботі пропонується провести аналіз та дослідження фотоструму в напівпровідниках.

На основі проведення аналізу пропонується зробити розрахунки фотоструму напівпровідників.

Зробивши розрахунки розробимо програму розрахунків в MathCad.

Об'єкт дослідження

Об'єктом дослідження є процес утворення фотоструму.

Курсова робота складається з вступу, двох розділів (перший розділ включає в себе теоретичні відомості по даній темі, а другий розділ розрахунки), висновку та використаної літератури.



1. Фотоелектричні прилади на основі внутрішнього фотоефекту

Внутрішній фотоефект спостерігається в напівпровідникових матеріалах при опроміненні їх поверхні променями світла. Він полягає в тому, що при поглинанні енергії фотона атоми напівпровідника може викинути пара “Електрон-дірка”, якщо цієї енергії досить для перекладу електрона з валентної зони в зону провідності, якщо поглинання енергії перевищує ширину забороненої зони. Інтенсивність фотоіонізації визначається енергією випромінювання, її потоком і спектром поглинання напівпровідника.

1.1 Фоторезистори

Фоторезистори використовують в своїй роботі ефект фотопровідності. Фоторезистори виконуються в найрізноманітніших конструктивних варіантах, різного призначення, по різним технологіям та з різними параметрами, але в загальному вигляді це - чутливий до випромінювання шар напівпровідника прикріплений до ізоляційної підкладки, по краям якого змонтовані струмопровідні електроди. Можливі дві конструкції фото резисторів : поперечна та повздовжня.

В першому випадку електричне поле, прикладене до фото резистору, та світло діють в взаємно перпендикулярних площинах (рис. 1 б), в другому - в одній площині. В повздовжній фоторезисторі збудження здійснюється через електрод прозорий для світлового випромінювання. Поперечний фоторезистор представляє собою майже омівський опір до частот порядку десятків - сотень мегагерц. Повздовжній фоторезистор через конструктивні особливості має значиму електричну ємність, яка не дозволяє рахувати фоторезистор чисто омічним опором на частотах сотні - тисячі герц.



Рис. 1. Фоторезистори (а); поперечна конструкція фоторезистора(б); умовне графічне позначення(в)

Для захисту від атмосферних впливів верхня поверхність фотослоя покрита прозорим лаком. Вся збірка може бути поміщена в захисний корпус, в якому зроблено вікно для проходження випромінювання. Він може включати в себе як цеп постійного струму, тік і перемінного.

При опроміненні фоторезистора зростає його провідність, і відповідно збільшується струм. Вихідні напруги, пропорціональні потоку випромінення, знімається з опору навантаження .

Основними характеристиками фоторезистора являються:

Вольт-амперна характеристика

Це залежності струму в фоторезисторі від напруженості джерела живлення Е при постійному потоці випромінення Ф. Ці характеристики практично лінійні (рис. 2). При Ф=0 через фоторезистор протікає маленький струм; при освітлені струм збільшується за рахунок фотопровідності.

Рисунок 2. Воль-амперна характеристика фоторезистора



Світова характеристика

Ця залежність фотоструму від потоку випромінювання при постійній напрузі джерела. Суттєва не лінійність цих характеристик (рис. 3) пояснюється не тільки збільшенням кількості носіїв з збільшенням потоку випромінювання Ф, але й процесу їх рекомбінації.

Рисунок 3. Світова характеристика фоторезистора

Спектральна характеристика , де - довжина хвилі електромагнітного випромінювання. Ця характеристика обумовлена матеріалом і технологією виготовлення фотошару. Типовий вид цієї характеристики показаний на рисунку 4.

Рисунок 4. Відносні спектральні характеристики фоторезистора



Основними параметрами фоторезисторів являються:

Чутливість:

Номінальне значення фотоструму

Темновий опір

Відношення

Робоча напруга

Значна залежність опору фоторезистора від температури, характерна для напівпровідників, є їх недоліком. Значним недоліком фоторезисторів також є їх інертність, пояснююча великим часом рекомбінації електронів та дірок після припинення дії випромінювання. На практиці фоторезистори застосовуються на частотах сотень герц - одиниць кілогерц. Власні шуми її достатньо значні. Не зважаючи на їх недоліки, фоторезистори широко використовуються в різноманітних схемах автоматики і в багато інших пристроях.

1.2 Фотодіоди

Рисунок 5. Конструкції фотодіодів (а); структура(б); Умовне графічне позначення фотодіодів(в)



Фотодіод являє собою напівпровідниковий фотоелектричний пристрій, що містить p-n-перехід, та використовуючи явище внутрішнього фотоефекта. Фотодіоди мають різну конструкцію, різне призначення і різні параметри, але в більшості випадків структура фотодіода буває такою, як показано на рисунку 5 б. На принципових схемах фотодіод, зображується символом, показаним на рисунку 5 в.

Фотодіод можна використовувати в двох різних включеннях: фотодіодному і фотогальванічному.

Фотогальванічне включення (рисунок 6) пропонує використовувати фотодіод як джерело фото ЕРС, тому в цей час його називають напівпровідниковим фотоелементом.

Рисунок 6. Фотогальванічне включення фотодіода

Розглянемо процес виникнення фото ЕРС в Фотодіоді (рисунок 7). В відсутності освітлення фотодіода концентрація носіїв в його обох областях буде рівноважною, а отже ніяких різниці потенціалів між областями не буде. Якщо освітити напівпровідник променями світла, то в результаті поглинання енергії фотонів буде утворюватися пари “електрон-дірка”. Дірки в області р являються основними носіями, тому поле p-n-переходу буде їх відштовхувати від границь розділу, а ось утворені вільні електрони, находячись в області р неосновними носіями , будуть перекинуті полем через границю розділу в область n, де вони є основними. Аналогічно, в області n з утвореними носіями “електрон - дірка” тільки дірка, є неосновними носіями, будуть перекинуті через границю розділу в область p, а утворені вільні електрони тільки поповнять кількість основних носіїв в області n, збільшив їх концентрацію.

Рисунок 7. Процес генерації вільних носіїв заряду

Таким чином, за рахунок поглиненої світової енергії в напівпровіднику утворюють пари носіїв; неосновні носії перекидають в сусідню область електричним полем p-n- переходу, а основні носії залишаються в своїй області; концентрація носіїв збільшується і стає рівноважною, сумарний електричний заряд основних носіїв обох областях напівпровідників уже не врівноважується протилежним зарядом іонів домішок, отже в області р з'являється сумарний позитивний заряд, а в області - сумарний негативний заряд, який обавлять виникнення різниці потенціалів між областю р та областю n. Цю різницю потенціалів називають фот ЕРС. Якщо тепер створити зовнішню електричну ланцюг між областями р і n, то по ній потече електричний струм - фотострум під дією створеною фото ЕРС.

Слід відмітити, що із всіх утворених в результаті поглинання промінистої енергії носіїв не всі будуть брати участь в утворенні світового струму, а тільки ті, які попадають в зону дії електричного поля потенційного бар'єру, обмежену область . Інші неосновні носії, утворені поза цієї зони, скоріше всього, рекомбінують, знижена ефективність використання світової енергії. Звідси стає ясно доцільність використання фотодіода, коли освітлюють не всі області напівпровідника, а тільки одну, зате дуже тонку, коли практично всі утворені під дією освітлення неосновні носії будуть розділені p-n- переходом.

Вольт-амперна характеристика - це залежність фотоструму від напруги на фотодіоді при незмінному світовому потоці.

Вольт-амперна характеристика описується наступним рівнянням:

де - напруг між анодом і катодом фотодіодом. В випадку фотогальванічного включення це - напруження на навантаженні;

- світовий струм - сумарний потік носіїв електричного заряду, утворився внаслідок внутрішнього фотоефекту;

- струм навантаження;

- темновий струм - сумарний потік носіїв електричних зарядів, перетинаючи границю розділу при відсутності освітлення;

k - постійна Больцмана, q=1,38

q - заряд електрона,

Т - абсолютна температура.

Вид вольт-амперної характеристики показано на ринку 8. При Ф=0 вольт-амперна характеристика фотодіода перетворюється в вольт-амперну характеристику звичайного p-n-переходу, достатньо детально вивчену раніше. При наявності освітлення струм навантаження, як видно з рисунка, потече по зовнішньому ланцюгу від області р до області n, а всередині кристала - від області n до області p, в напрямку, який для звичайного діода є зворотнім і відкладається вниз від нуля по осі ординат; напруга на фотодіоді (+) на області р, (-) на області n є прямим для звичайного діоду і тому відкладається вправо від нуля на осі абсцисс. Фактично вольт-амперна характеристика фотодіода представляє собою вольт-амперну характеристику звичайного p-n-переходу, зміщену вниз і вправо в залежності від світового потоку Ф.

Точки перетину характеристики с осями координат представляє собою напругу холостого хода (або фото ЕРС) на осі абсцисс і струм координатного замикання на осі ординат.

Ділянка характеристики за точкою представляє собою режим, коли фотодіод працює з зовнішнім джерелом ЕРС, включеним зустрічно по відношенню до фотодіоду.

Ділянка за точкою характеризує роботу фотодіода з зовнішнім джерелом ЕРС, включеним згідно з відношенням до фотодіоду. Це і є фотодіод не включення, яке буде розглядуватись нижче.

Рисунок 8. Вольт-амперна характеристика фотодіода

Світова характеристика фотодіода або представлена на рисунку 9.

Рисунок 9. Світова характеристика фотодіода



Спектральна характеристика. Це залежність - довжина хвилі електромагнітного випромінювання. Вид цієї характеристики показаний на рисунку 10.

Рисунок 10. Спектральна характеристика фотодіода

Залежність 1 представляє собою відносну потужність сонячного випромінювання. Інші дві залежності показують відносну потужність фотодіодів, виконаних на основі кремнію і германію. Очевидно, що в області видимої частини спектра сонячного випромінювання найбільшу відносну потужність має фотодіод на основі кремнію. Саме з кремнію роблять частіше всього фотодіоди, працюючи в цій області довжин хвилі.

При освітлені фотодіода з'являється фото ЕРС , яка по відношенню до джерела Е включена послідовно і згідно і в ланцюгу навантаження з'являється струм, пропорційний світовому потоці Ф. Цей режим ілюструється відрізками вольт-амперної характеристики фотодіода в третьому квадранті. Однак в довідковій літературі ці характеристики приводяться частіше в першому квадранті (рисунок 11) для зручності користування.



Рисунок 11. Вольт-амперна характеристика фотодіодного включенн

1.3 Фототранзистори

Фототранзистор - це напівпровідниковий фотоелектричний пристрій з двома p-n-переходами. Пристрій і принцип дії фототранзистора такі ж, як і біполярного транзистора. Відмінність ж полягає в тому, що зовнішня частина бази є фоточутливою площею, а в корпусі є вікно для пропускання світла (рисунок 12).

Рисунок 12. Конструкція фототранзисторів (а); структура(б); умовне графічне позначення фото транзисторів(в)

Іноді фототранзистор має тільки два виводи: емітер ний і колекторний.

Принцип дій фото транзистора полягає в наступному. В затемненому стані і відсутності вхідного сигналу на базі транзистора закритий і в його колекторному ланцюгу протікає невеликий зворотній струм колекторного переходу. При освітлені базової області промінням світла там відбувається виникнення пар “електрон-дірка”. Неосновні носії підхоплюючи полем колекторного переходу і перекидаються в область колектора, а в базі залишається нескомпенсований заряд електронів - основних носіїв - який призводить до зниження потенціального бар'єру емітерного переходу і до інжекції дірок із емітера в базу. Це призведе до збільшення колекторного струму. Колекторний струм , де - коефіцієнт передачі транзистора по струму; - фотострум, виник в базовій області під дією світового вхідного сигналу.

Фото ЕРС - виникнення ЕРС унаслідок опромінення напівпровідників

Рисунок 13. Фотоелемент

В електричному колі фотоелемент який не опромінюється (Рис. 13), електричний струм відсутній, оскільки між катодом і анодом немає вільних носіїв заряду. Під час освітлення фотокатода утворюються фотоелектрони, які прямують до анода, тобто в колі виникає електричний струм. Залежно від матеріалу фотокатода такий прилад може мати різні оптичні властивості. Отже, він може бути чутливим лише до певного діапазону хвиль, наприклад ультрафіолетового випромінювання, і не реагувати на видиме світло. Є фотоелементи, які охоплюють весь спектр видимого світла або чутливі в інфрачервоному діапазоні хвиль. Цю здатність фотоелементів використовують у різних оптичних приладах, зокрема у приладах нічного бачення.



2. Розрахунок залежності фото ЕРС напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

Визначимо червону межу фотоефекту для напівпровідника з роботою виходу 2 еВ.

Розв'язок:

Із рівняння Ейнштейна для фотоефекту при умові маємо

Частота світла з його швидкістю та довжини хвилі виражаємо

З двох формул отримуємо:

Визначимо роботу виходу електрона з поверхності фотокатода та червону границю фотоефекта, якщо при опроміненні фотоелемент світлом з частотою Гц фотострум припиняється при замикаючій потужності 4,1 В.

Розв'язок:

Користуємося умовою замикання фотоструму:

Беручи до уваги умови рівняння Ейнштейна для фотоефекту буде мати вигляд:

Визначимо червону границю фотоефекту:



Висновок

1. В даній курсовій роботі в першому розділі було подано короткий аналіз залежності фотоструму напівпровідників від

2. В другому розділі було розраховано червону межу фотоефекту та роботу виходу електрона з поверхності фотокатода та .



Список використаної літератури

1. Уэрт Ч.А. Курс общей физики: учебное пособие / Ч.А. Уэрт, Р. Томсон. - М.: Мир - 1966. - 568 с.

2. Шебалін О.Д. Атомная физика / О.Д. Шебалін. - М.: Вища школа, 1981. - 263 с.

3. Зисман Г.А. Курс загальної фізики / Г.А. Зисман. - М.: Наука, 1995. - 343 с.

4. Хмелюк К.Д. Курс общей физики: навчальний посібник / К.Д. Хмелюк, Д.Ц. Цициліано. - М.: Вища школа, 1974. - 232 с.

5. Павлов П.В. Физика твердого тела: учебное пособие / П.В. Павлов. - М.: Высшая школа, 1985.-383 с.

6. Курик М.В. Курс общей физики: довідник / М.В. Курик, В.М. Цмонь. - М.: Наука, 1985 - 528 с.

Размещено на Allbest.ru