Фотоелектронні прилади

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський  державний університет

Факультет електроніки та інформаційних технологій 
 
 

Кафедра прикладної фізики 
 
 

Комплексна  курсова робота

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ 
 
 
 
 
 

Виконав

студ. гр. ЕП-72                                                                      Грищук О.С. 
 

Керівник

к. ф.-м. н., доцент                                                                 Однодворець Л.В. 
 
 
 

Суми 2011

ЗМІСТ 

    ВСТУП…………………………………………………………………………3

    Розділ 1 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ФОТОЕФЕКТУ………………………………4

1.1 Квантова теорія фотоефекту………………………………………..5

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода…9

    Розділ 2 ОСНОВНІ ТИПИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ………….14

         2.1 Конструкція і принцип дії фотоелементів…………………...…….14

         2.2 Фотоелектронні  помножувачі……………………………………..22

         2.3 Сонячні батареї  на основі явища фотоефекту……………………28

    ВИСНОВКИ………………………………………………………………….32

    ЛІТЕРАТУРА…………………………………………………………………33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВСТУП 

    В сучасній електронній техніці широко використовують напівпровідникові прилади, принцип роботи яких заснований на фотоелектричних та електрооптичних перетвореннях сигналу [1-3]. Перший із цих принципів обумовлений зміною електрофізичних властивостей речовини, в результаті поглинання нею світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність речовини або електрорушійна сила, що приводить до зміни струму в ланцюзі, в який включений фоточутливий елемент. Другий принцип пов’язаний з генерацією випромінювання в речовині. Ця генерація обумовлена прикладеною до речовини напругою і протікаючим через світловипромінюючий елемент струмом [4].

    Досить  важлива роль, яку фотоелектронні прилади відіграють у сучасній техніці  і в наукових дослідженнях, визначила  їхній інтенсивний розвиток, що почався  в тридцятих роках двадцятого сторіччя і безупинно триває аж до теперішнього часу. В останні роки в цій області досягнуто ряд істотних успіхів [5]. Створено нові фотокатоди як для видимої області спектра, так і для ультрафіолетової. З'явилися нові види фотоелектронних помножувачів, що відрізняються високими значеннями експлуатаційних параметрів.

    Фотоелектронні  прилади перетворюють енергію електромагнітного  випромінення оптичного діапазону  в електричну. До них відносяться  фотоелементи, фотоелектронні посилювачі, передаючі електронно-променеві прилади тощо. Без фотодіодів та фоторезисторів неможливо уявити собі сучасні пристрої автоматики, обчислювальної та вимірювальної техніки [6].

    Таким чином мета комплексної курсової роботи полягає у вивченні фізичних основ фотоефекту, принципів функціонування і параметрів фотоелектронних приладів та їх конструктивно – технологічних особливостей. 
 
 

    Розділ  1 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ФОТОЕФЕКТУ 

    Одним із явищ, яке підтверджує гіпотезу існування фотонів, є фотоелектричний ефект. Під час проведення дослідів з метою одержання електромагнітних хвиль Генріх Герц у 1887 р. помітив, що опромінювання ультрафіолетовим світлом негативно зарядженого електрода сприяє виникненню іскри у просторі між електродами [7].

    Суть  явища, виявленого Г. Герцом, полягає  в тому, що при освітленні ультрафіолетовим випромінюванням негативно заряджені металеві тіла втрачають негативний заряд. При освітленні тим же промінням позитивно зарядженого тіла втрати електричного заряду не спостерігається. Крім того, якщо незаряджене тіло освітлювати, то за певних умов воно заряджається позитивно. Після відкриття електрона в 1897 р. Ф. Ленард (1862-1947) і Дж. Дж. Томсон (1856-1940) довели експериментальне, що під дією світла відбувається звільнення електронів з металів.

     Явище звільнення електронів з речовини при  освітленні її світлом називається фотоелектричним ефектом (фотоефектом). Розрізняють зовнішній і внутрішній фотоефект.

     Зовнішній фотоефект – це фотоелектронна емісія, тобто випускання електронів з поверхні речовини під дією енергії падаючого світла; на цьому заснований принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів – фотоелементів і фотопомножувачів.

     Внутрішнній фотоефект може бути двох видів: фоторезистивний ефект – зменшення електричного опору напівпровідника під дією падаючого світла; фотогальванічний ефект – виникнення на р-п переході під дією падаючого світла різниці потенціалів. На внутрішньому фотоефекті заснований принцип дії напівпровідникових фотоелектронних приладів.

    Електрони, звільнені під дією світла, називаються  фотоелектронами [8]. Фотоелектричні властивості мають не тільки метали, але й діелектрики, напівпровідники та електроліти. Причому необхідною, але недостатньою умовою фотоефекту є помітне поглинання світла поверхневим шаром освітлюваного тіла. Для обґрунтування гіпотези фотонів основне значення має зовнішній фотоефект. 

    

1. Квантова  теорія фотоефекту

 

    Явище фотоефекту і його закономірності повністю пояснюються квантовою теорією світла. У ній стверджується, що світло - це потік матеріальних частинок фотонів, енергія яких ε= hν (де h  = 6,62·10 ^-34 Дж·с - стала Планка; ν - частота коливань); що світло не тільки випромінюється, але й поглинається порціями електромагнітних хвиль. При цьому фотон як неподільна частинка поглинається окремим електроном. Часто користуються сталою ћ = h /2π = 1,05·10^-34 Дж·с, яка введена П. Діраком. Через цю сталу енергія кванта випромінювання виражається формулою ε= hω (ω = 2π·ν - циклічна частота випромінювання) [9].

    Взаємодіючи з електроном металу, фотон може обмінятися з ним енергією й імпульсом. Фотоефект виникає у випадку непружного зіткнення фотона з електроном. При такому зіткненні фотон поглинається, а його енергія передається електрону. Таким чином, електрон отримує кінетичну енергію не поступово, а зразу. Цим і пояснюється безінерційність фотоефекту.

    Енергія поглинутого фотона може витрачатись  на відрив електрона від атома всередині металу. Відірваний електрон взаємодіятиме з іншими атомами металу, втрачаючи свою енергію, яка буде йти на зміну внутрішньої енергії тіла, тобто на його нагрівання. Електрон, який вилітає з металу, матиме максимальну кінетичну енергію тоді, коли всередині металу він був вільним, тобто не зв'язаним з атомом, і при вилітанні за межі металу не витрачатиме енергію на тепло. У цьому випадку кінетична енергія електрона витрачається тільки на подолання затримуючих сил, які діють у поверхневому шарі металу, тобто на роботу виходу. Припустимо, що електрон одержав кінетичну енергію при зіткненні тільки з одним фотоном. Тоді максимальна кінетична енергія, яку буде мати звільнений електрон, визначається формулою:

,            (1.1) 

де  А - робота виходу електрона з металу; т_е - маса спокою електрона.

    Ця  формула вперше була одержана А. Ейнштейном і носить його ім'я [10]. Перш ніж аналізувати формулу Ейнштейна, необхідно з'ясувати, як може "вільний електрон у металі" поглинути фотон. Чи не суперечить це висновку, згідно з яким поглинання фотона вільним електроном не відповідає законам збереження енергії і імпульсу. В дійсності суперечностей немає, оскільки "вільний електрон у металі" не є вільним. Він наче закритий у ящику, біля стінок якого є затримуюче поле. Фотон взаємодіє не тільки з електроном, тут відбувається взаємодія обох цих частинок з металом у цілому. У випадку взаємодії трьох тіл закони збереження енергії і імпульсу виконуються одночасно. Імпульс фотона сприймається як електроном, так і металом, а енергія передається тільки електрону, оскільки масу металу можна вважати нескінченно великою.

    З рівняння випливає, що максимальна кінетична енергія звільнених електронів лінійно залежить від частоти ν і не залежить від інтенсивності світла, яке викликає фотоефект. Інтенсивність світла, за якої відбувається фотоефект, впливає тільки на кількість звільнених електронів.

    Також з рівняння (1.1) випливає, що фотоефект можливий тільки тоді, коли hv>А. В іншому випадку енергія фотона недостатня для звільнення електрона з металу. Найменша частота світла, під дією якого відбувається фотоефект, визначається з умови: 

      (1.2) 

    Частота при якій можливий фотоефект, називається  "червоною межею" фотоефекту. Ця назва не стосується кольору світла [11]. Вона вказує на ту найменшу частоту (найбільшу довжину хвилі) світла, при якій ще може відбуватись фотоефект. Так, із цезію звільняються електрони при освітленні випромінюванням усієї видимої частини спектра; для калію відбувається фотоефект при освітленні променями, довжина хвиль яких λ<0,62 мкм; для вольфраму λ< 0,275 мкм.

    Справедливість  формули Ейнштейна була доведена експериментально О.Річардсоном (1879-1959) і К. Комптоном (1887-1954) у 1912 р., а більш точно - Р. Міллікеном (1868-1953) у 1916 р., який безпосередньо з дослідів явищ фотоефекту визначив числове значення сталої Планка [2].

    Внутрішній  фотоефект може відбуватись у  напівпровідниках та діелектриках. Під  дією світла частина електронів з валентної енергетичної зони переходить у зону провідності. При цьому концентрація носіїв струму всередині тіла збільшується, тобто збільшується його електропровідність. Явище збільшення електропровідності тіла під дією світла називається фотопровідністю.

    На  основі зонної теорії електропровідності напівпровідників внутрішній фотоефект можна пояснити так: для напівпровідників із власною електропровідністю під дією світла можливий перехід електрона з валентної зони в зону провідності, що веде до збільшення концентрації електронів провідності та дірок у валентній зоні; для напівпровідників п -типу під дією світла відбувається перехід електрона з донорного рівня в зону провідності; у напівпровідниках р-типу під дією світла електрон переходить із валентної зони на акцепторний рівень, внаслідок чого збільшується концентрація дірок у валентній зоні. У всіх наведених випадках у напівпровідниках під дією світла збільшується концентрація носіїв струму, тобто зростає їх електропровідність.

    Перерозподіл  електронів напівпровідника за енергетичними  станами під дією світла може привести також до зміни внутрішнього електричного поля в кристалі. Це є причиною виникнення електрорушійної сили на межі контакту двох напівпровідників з різними типами домішкової провідності (р-n- перехід) або на межі контакту напівпровідника і металу (вентильний фотоефект).

    Як  відомо, на межі контакту напівпровідників р - п -типу виникає запірний шар. При освітленні напівпровідника р-типу в ньому з'являються додатково електронно-діркові пари [12]. Під час руху електронів до контакту вони захоплюються електричним полем контактної різниці потенціалів і переходять у напівпровідник n-типу. Тоді в напівпровіднику n-типу буде надлишок електронів, а в напівпровіднику р-типу - надлишок дірок. Внаслідок цього виникає ЕРС, напрям напруженості електричного поля якої протилежний до напряму напруженості електричного поля контактної різниці потенціалів (рисунок 1.1).

    Рисунок 1.1 - Механізм утворення провідності в p-n переході під дією світлa [13] 

    Якщо  коло замкнути на резистор R, то в ньому протікатиме струм. Фото ЕРС за полярністю протилежна до контактної різниці потенціалів. Тому вона компенсує останню, а її максимальне значення не може перевищувати контактної різниці потенціалів. При освітленні напівпровідника n-типу, коли енергія фотонів достатня для переходу електроном запірного шару з напівпровідника n-типу в напівпровідник p- типу, також виникає фото ЕРС. Проте напівпровідники p-типу більш ефективні фотоемітери, ніж напівпровідники n-типу. Особливістю вентильного фотоефекту є безпосереднє перетворення світлової енергії в електричну. Коефіцієнт корисної дії сучасних силіцієвих фотоелементів близько 15%.