Фотопроводимость полупроводников

При собственном и примесном поглощении света возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом называется фотопроводимостью. Эффект фотопроводимости часто называют фоторезистивным эффектом, поскольку в результате освещения электросопротивление полупроводника падает. На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые радиокомпоненты, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости, называемые фоторезисторами. Чувствительный элемент фоторезистора представляет собой пленку монокристаллического или поликристаллического полупроводника с двумя омическими контактами, нанесенную на диэлектрическое основание.

Значение удельной фотопроводимости можно определить из выражения:

Ds_ф=q(Dnm_n+Dpm_p), (5.8)

где q -заряд электрона; m_n, m_р - подвижности электронов и дырок в полупроводнике, соответственно; Dn=n_ф-n_о, Dp=p_ф-p_о - избыточные (неравновесные) концентрации электронов и дырок в полупроводнике, возбужденном светом; n_о, p_о - равновесные концентрации свободных носителей заряда; n_ф, p_ф - общие концентрация электронов и дырок.

Под действием напряжения, приложенного к фоточувствительному полупроводниковому элементу, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в электрической цепи ток, который называют фототоком J_ф. Спектральная зависимость фототока совпадает со спектром поглощения полупроводника и, в общем случае, имеет вид, представленный на рис. 5.9.

Из рис. 5.9 следует, что на спектральной зависимости фототока наблюдается два максимума. Первый максимум (кривая 1) совпадает с пиком примесного поглощения, приходящимся на диапазон энергий света, совпадающих с энергией ионизации примесного уровня DW_пр. Второй максимум (кривая 2) приходится на диапазон энергий световых квантов, соответствующих энергии края основной полосы оптического поглощения DW_g. При этом в области 2 наблюдается не только длинноволновый (слева от DW_g), но и коротковолновый спад фотопроводимости (справа от DW_g). Коротковолновый спад объясняется тем, что при энергиях кванта света hn>DW_g коэффициент поглощения света a очень велик, и весь свет поглощается в тонкой приповерхностной области полупроводника. В этой области время жизни t_и подвижность m носителей из-за высокой концентрации дефектов ниже, чем в объеме, соответственно меньше и величина фототока.

Важной характеристикой внутреннего фотоэффекта является квантовый выход внутреннего фотоэффекта b. Это количество пар носителей заряда, приходящихся на один поглощенный квант. В фотоэлектрически активной части оптического излучения квантовый выход чаще всего равен единице. С ростом энергии кванта света квантовый выход возрастает до 3...4 единиц. При поглощении фотонов большой энергии, соответствующей проникающему рентгеновскому или
g-излучению (W=10 кэВ...1 МэВ), квантовый выход возрастает до нескольких десятков.

Релаксация фотопроводимости. После прекращения облучения проводимость полупроводника за промежуток времени, равный времени жизни носителей t, возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. Рассмотрим закономерности нарастания и спада фотопроводимости полупроводника после включения и выключения источника света (рис. 5.10, а).

В результате включения источника света в полупроводнике происходит генерация носителей заряда с постоянной скоростью G_o, которая определяется из соотношения

G_о=baI, м^-3с^-1, (5.9)

где b -квантовый выход внутреннего фотоэффекта, a-коэффициент поглощения, м^-1; I -интенсивность падающего света, м^-2с^-1, измеряемая числом квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника в одну секунду.

Одновременно в полупроводнике идет процесс рекомбинации носителей, происходящий со скоростью рекомбинации R=Dn/t, где Dn -неравновесная концентрация носителей заряда, t - время жизни свободных электронов.

Скорость возрастания концентрации избыточных носителей заряда по аналогии с (2.47) задается дифференциальным уравнением

(5.10)

Решение уравнения (5.10) записывается в виде

, (5.11)

где Dn_ст=G₀t - установившаяся концентрация избыточных носителей при стационарных условиях освещения.

При сравнительно слабых интенсивностях светового потока I соблюдается линейная зависимость между концентрацией избыточных носителей заряда и значением фотопроводимости полупроводника. Соответственно, для нарастания фотопроводимости полупроводника справедливо выражение

, (5.12)

где Ds_ст - установившаяся фотопроводимость.

После прекращения освещения скорость генерации носителей заряда G_о=0 и концентрация неравновесных носителей заряда начинает снижаться. Процесс снижения концентрации описывается однородным дифференциальным уравнением рассасывания вида (2.47), решение которого записывается в виде (2.48). График функции (5.112) представлен на рис. 5.10, б в виде заднего фронта кривой Dn_ф= f(t). Из графика следует, что после прекращения освещения концентрация избыточных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. Соответственно, спад фотопроводимости полупроводника определяется соотношением

. (5.13)

Из уравнений (5.12), (5.13) и графика рис. 5.10, б следует, что крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости увеличивается с уменьшением времени жизни t неравновесных носителей заряда. Иными словами, чем меньше время жизни неравновесных носителей заряда, тем выше быстродействие фотополупроводникового прибора.

Заметим, что с увеличением интенсивности светового потока I часть ловушек захвата в полупроводнике начинает превращаться в рекомбинационные центры, что должно привести к увеличению скорости рекомбинации R и уменьшению времени жизни t неравновесных носителей заряда.

Фоторезисторы. Принцип действия фоторезисторов – фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, основан на фоторезистивном эффекте. Фоторезисторы находят применение в устройствах коммутации электрических цепей, а также в различных ключевых и аналоговых устройствах систем автоматического управления, контроля и регулирования различных физических величин.

Устройство фоторезистора показано на рис. 5.11. Светочувствительный элемент фоторезистора представляет собой прямоугольную или круглую таблетку, спрессованную из полупроводникового материала, или тонкую пленку 1 на стеклянной, слюдяной или керамической подложке 2. На концах светочувствительного элемента создают электроды 3 с малым сопротивлением.

Наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе сернистого свинца (PbS), cеленистого свинца (PbSe), сернистого кадмия (CdS) и селенистого кадмия (CdSe). Высокая фоточувствительность сульфида и селенида кадмия обеспечивается введением в их состав сенсибилизирующих примесей, способствующих увеличению времени жизни основных носителей заряда. Донорной примесью обычно служит хлор, в качестве акцепторных примесей используются медь или серебро. Существенную роль в механизме проводимости играют также структурные дефекты.

Сернисто-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы изготавливают нанесением на изоляционное основание тонкого полупроводникового слоя путем испарения в вакууме или химического осаждения. Селенисто-кадмиевые и сернисто-кадмиевые фоторезисторы в большинстве случаев выполняют из порошков CdSе и CdS путем прессования в виде таблеток, которые далее подвергают термической обработке и затем приклеивают к изоляционному основанию, на которое с целью создания контактов нанесены металлические электроды. В качестве светочувствительных элементов для изготовления фоторезисторов используют также монокристаллы CdSе и CdS. Монокристаллические образцы размером мм укрепляют на изолирующей подложке специальными лаками. Для создания омических контактов на края кристаллов наносят металлические электроды.

Вольтамперные характеристики фоторезистора без освещения и при освещении относительно небольшим световым потоком Ф почти линейны, их графики приведены на рис. 5.12, а.

Зависимость электросопротивления фоторезистора R = f(Ф) от величины светового потока Ф (функциональная характеристика) аппроксимируется приближенным соотношением вида
R~Ф^–1/2(рис. 5.12, б). Темновое сопротивлениефоторезистора при полной защите чувствительного элемента от излучения составляет (0,022¼100)×10⁶ Ом.

Отношение R_т/R_св темнового сопротивления R_т фоторезистора к световому сопротивлению R_св измеренному при освещенности в 200 лк, для различных типов фоторезисторов на основе CdS и CdSe колеблется в широком диапазоне от 3,5 до 1,5×10⁶ (обычно 150...1500), для фоторезисторов на основе PbS значение R_т/R_св постоянно и равно 1,2 отн. ед.

Инерционность фоторезисторов определяется процессами релаксации фотопроводимости, контролирующими крутизну фронтов нарастания и спада фотопроводимости. Например, у приборов на основе CdS уменьшение чувствительности заметно уже на частоте около 100 Гц, а на основе PbS – на частоте более 1 кГц. Это означает, что инерционность фоторезисторов – величина порядка единиц мс.

В зависимости от типа используемого фоточувствительного материала фоторезисторы имеют различные спектральные характеристики, изображенные на рис. 5.12, в. Так, сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевые фоторезисторы характеризуются максимумом чувствительности в видимой области спектра (l = 0,6 мкм и 0,8 мкм, соответственно). Фоторезисторы, выполняемые из сульфида свинца и селенида свинца имеют максимум спектральной чувствительности в инфракрасной области спектра (l = 1,8 мкм и 3,5 мкм, соответственно). Максимальную длину волны, при которой наблюдается внутренний фотоэффект, называют красной границей.

Область спектральной зоны чувствительности фоторезистора можно расширить на всю видимую часть спектра от 0,4 до 0,9 мкм, используя материалы на основе твердых растворов между CdS, CdSe, CdTe, например CdSe-CdTe.

Спектральные характеристики поликристаллических фоторезисторов, вследствие повышеной концентрации примесей в них, шире, чем монокристаллических, они растянуты за пределы границы собственного поглощения в область коротких длин волн (рис. 5.12, в).

Фоторезисторы являются составной частью оптико-электронного устройства – резисторного оптрона (оптопары). При этом фоторезистор и источник излучения заключены в общий светонепроницаемый корпус и находятся в оптической связи друг с другом. В качестве источника излучения применяют миниатюрные лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные излучатели.

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов можно выразить через плотность тока:

где — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между и называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

вопрос 88. Вынужденное движение жидкости в трубном и межтрубном пространстве.

Вынужденное движение жидкости повышает устойчивость граничного двухфазного слоя и, соответственно, увеличивает значения критических плотностей теплового потока.

Вынужденное движение жидкости обусловливается механическим воздействием на нее насоса, вентилятора или иного устройства. При этом на противоположных концах канала, по которому движется жидкость, создается некоторая разность ( перепад) давлений, которая и является движущей силой.

Вынужденное движение жидкости вызывается работой насоса, вентилятора, дымовой трубы или другого устройства, причем между входом и выходом из канала, по которому движется жидкость, устанавливается определенная разность давлений. Свободное движение ( естественная конвекция) может происходить и при отсутствии перепада давлений и обусловливается различием удельных весов жидкости в разных точках рассматриваемого объема, вызывающим появление так называемой подъемной силы.

Вынужденное движение жидкости вдоль плоской поверхности как задача конвективного теплообмена представляет интерес, во-первых, как классический пример применения теории пограничного слоя и, во-вторых, как практически важный процесс, используемый, например, при воздушном отоплении.

При вынужденном движении жидкости интенсивность теплоотдачи в значительной мере зависит от характера течения жидкости, определяемого числом Рейнольдса. Здесь одним штрихом отмечены значения, относящиеся к натурному образцу, двумя - к модели.

При вынужденном движении жидкости, недогретой до температуры насыщения, или парожидкостной смеси с небольшим паросодержанием поверхность нагрева перегревается вследствие недостаточного поступления к ней жидкости, оттесняемой образующимся паром.

При вынужденном движении жидкостей ( газов) в аппаратах интенсивность теплоотдачи зависит в первую очередь от характера движения.

При вынужденном движении жидкости коэффициент теплоотдачи а определяется относительным влиянием возмущений пограничного слоя, вызываемых кипением и обусловленных турбулентными пульсациями, действующими из объема жидкости.

При вынужденном движении жидкости коэффициент теплоотдачи зависит от возмущений пограничного слоя, вызываемых кипением и обусловленных турбулентными пульсациями, действующими из объема жидкости.

При вынужденном движении жидкости внутри трубы ( канала) с момента достижения значения критерия Рейнольдса Re10⁴ поток жидкости стабилизируется и носит характер развитого турбулентного движения.

При вынужденном движении жидкости теплоотдача по длине трубы неодинакова. Непосредственно у входа коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение, на последующих участках длины он резко убывает до некоторого постоянного значения, с чем связывается понятие о тепловой стабилизации.

В условиях вынужденного движения жидкости проявляется вынужденная конвекция, которая всецело обусловлена работой сил, приложенных к поверхности раздела и совершенно не связанных с процессом переноса тепла. В условиях вынужденной конвекция роль силы тяжести ничтожно мала. Однако при малых скоростях течения жидкости или газа влияния вынужденной и свободной конвекции могут оказаться соизмеримыми.

Кипение при вынужденном движении жидкости происходит на нагреваемых поверхностях, таких, как стенки труб, через которые осуществляется вынужденное движение потока жидкости со значительном скоростью.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкостей и газов в трубах и каналах характерна для трубного пространства ко-жухотрубчатых элементных, двухтрубных, витых, погружных, оросительных, спиральных и других теплообменников.

Теплообмен при вынужденном движении жидкости называется вынужденной конвекцией.

Теплообмен при вынужденном движении жидкости вдоль плоской поверхности.

При малой скорости вынужденного движения жидкости существенное влияние может оказать свободная конвекция.

При изучении характера вынужденного движения жидкости должно быть соблюдено только условие Re idem; в случае авто-модельности это условие отпадает

При малых скоростях вынужденного движения жидкости значительную роль играют гравитационные силы. Рассмотрим одну из наиболее простых задач о суперпозиции ламинарной вынужденной и естественной конвекции - стабилизированное в тепловом и гидродинамическом отношении течение в вертикальной круглой трубе. Результаты совместного решения дифференциальных уравнений движения и энергии получены при условии, что физические свойства ( за исключением плотности) не зависят от температуры, зависимость плотности от температуры линейная, а градиент температуры по длине - постоянный.

При небольших скоростях вынужденного движения жидкости необходимо учитывать кроме свободной конвекции также вынужденную.

При изучении характера вынужденного движения жидкости должно быть соблюдено только условие Re idem; в случае авто-модельности это условие отпадает.

По современному состоянию теории вынужденного движения жидкости в ограниченной системе ( например, в реакторе проточного типа) критерием, характеризующим подобие степени турбулизации потока, является критерий Рейнольдса. Существенно, однако, какую геометрическую величину следует взять за основу при определении степени турбулизации потока в реакторах гомо - - генного пиролиза.

Наоборот, если скорость вынужденного движения жидкости велика, а разности температур в ней малы, то влияние свободной конвекции по сравнению с вынужденной является незначительным. Свободная конвекция незначительна и в том случае, если протяженность тела в направлении действия подъемной силы невелика. Так, например, свободная конвекция при вынужденном движении жидкости внутри горизонтальных труб проявляется только при больших диаметрах.

Для определения aL при вынужденном движении жидкости имеются различные экспериментальные зависимости.

Различают конвективный теплообмен при вынужденном движении жидкости ( газа), вызванном внешними силами, и при свободном движении, обусловленном неравномерным распределением плотности в поле силы тяжести.

В гидродинамике различают два режима вынужденного движения жидкости - ламинарный и турбулентный, обусловливаемые величиной скорости движения жидкости. Под ламинарным режимом понимается такой режим, когда жидкость течет упорядочение отдельными струйками, параллельными стенкам каналов. Скорость движения отдельных струек по сечению канала не одинакова: у стенки она равна нулю и плавно ( по параболическому закону) увеличивается к центру сечения, где и достигает максимального значения.

Для определения а, при вынужденном движении жидкости имеются различные экспериментальные зависимости.

В процессах конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости число Рейнольдса является критерием гидродинамического подобия, а число Пекле - критерием теплового подобия. Таким образом, если соблюдаются предыдущие условия подобия, а также равенство чисел Рейнольдса и чисел Пекле соответственно для двух процессов, то процессы будут подобными.

В адсорбционных аппаратах с пневматическим перемешиванием вынужденное движение жидкости и поршкообразного активного угля вызывается подводом энергии с потоком воздуха, вводимым в аппарат через распределительное устройство. Физической причиной обмена энергией между пузырьками воздуха и жидкостью является вязкое трение поверхности контакта газовой и жидкой фаз. Пузырьки воздуха, подаваемого через распределительное устройство, всплывают вместе с увлекаемой ими жидкостью, образуя восходящий газо-жидкостный факел, называемый ядром струи.

При исследовании теплоотдачи в процессе кипения при вынужденном движении жидкости отмечается , что коэффициент теплоотдачи пароводяной смеси при давлении примерно 0 2 МПа и температуре поверхности нагрева, превышающей температуру насыщения не более чем на 28 С, в 3 - 6 раз больше, чем можно было бы ожидать для потока сухого пара при тех же условиях. Предполагают что здесь имеет место явление Лейденфроста и, следовательно, вторая критическая температура равна - примерно 150 С.

Аддомс установил, что с увеличением скорости вынужденного движения жидкости температурный напор, определяющий начало кипения, и максимальный тепловой поток возрастают.

В этом заключается основное отличие кризиса кипения при вынужденном движении жидкости от кризиса кипения в большом объеме.

Изложенная выше методика расчета теплообмена при кипении в условиях вынужденного движения жидкости может применяться в тех режимах течения двухфазной смеси, где возможно пузырьковое кипение.

Формула (VI1 - 98) не учитывает влияния вынужденного движения жидкостей ( которое увеличивает qKp) и состояния поверхности нагрева.

В практике паросиловых установок приходится иметь дело преимущественно с вынужденным движением жидкостей и турбулентным режимом ее движения.

Выбор направления движения рабочих сред следует производить так, чтобы вынужденное движение жидкости - или газа по возможности совпадало с направлением свободного движения: при нагревании - снизу вверх, при охлаждении - сверху вниз. Взаимное направление движения рабочих сред в тех случаях, когда обе среды не изменяют своего агрегатного состояния, целесообразно большей частью выбирать по принципу противотока. При изменении агрегатного состояния одной из сред ( например, в паро-жидкостных подогревателях) это значения не имеет.

Свободной конвекции тепла противопоставляется вынужденная конвекция, происходящая в условияхвынужденного движения жидкости. Это последнее всецело обусловливается работой сил, приложенных к поверхностям, границам жидкости и действующих по причинам, не имеющим отношения к рассматриваемому местному процессу переноса тепла. Вынужденная конвекция может происходить в потоке, создаваемом вентилятором, эксгаустером, насосом, ветром или, напротив, в неподвижной ( в целом) среде, относительно которой перемещается тело, имеющее отличную от среды температуру, например самолетный радиатор. В указанных условиях роль силы тяжести, как правило, пренебрежимо мала.

вопрос 89. Лазер. Принцип работы лазера. Свойства лазерного излучения. Некоторые типы лазеров: твёрдотельные, жидкостные, газовые, полупроводниковые

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего” усиление света в результате вынужденного излучения”.

По принципу своей работы лазер достаточно схож с ранее созданным мазером (Ма́зер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны)), отсюда и его альтернативное название – оптический мазер. Для обоих устройств характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.

Лазерное излучение - электромагнитное излучение оптического диапазона, обладающее такими свойствами, как когерентность, монохроматичность, поляризованность, направленность, что позволяет создать большую локальную концентрацию энергии.

Твердотельные лазеры:

Существует множество твердотельных лазеров, обладающих как импульсным, так и непрерывным излучением. Наиболее распространены среди импульсных твердотельных лазеров – лазер на рубине и неодимовом стекле.

Жидкостный лазер:

Лазер, активным веществом которого является жидкость. Среди преимуществ жидкостных лазеров можно выделить возможность реализации циркуляции жидкости с целью её охлаждения. Это позволяет получить большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах.

Газовые лазеры (лазер СО₂):

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения.

Полупроводниковые лазеры:

Среди лазеров, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, полупроводниковые лазеры занимают особое место по ряду своих характеристик. Полупроводниковые инжекционные лазеры имеют очень высокий КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение, который практически равен 100%. Они способны работать в непрерывном режиме.

вопрос 90. Выдающие русские ученые второй половины 20 века.