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%.

    Розглянуте  явище фотоефекту відбувається при  відносно слабких світлових полях і його називають одно фотонним. У випадку користування випромінюванням потужного лазера виникає багато фотонне поглинання, тобто багато фотонний фотоефект, при якому в співударянні з електроном одночасно бере участь декілька фотонів. Рівняння Ейнштейна для багато фотонного фотоефекту має вигляд: 

    тv²_тax/2 = Nhv-А,     (1.3) 

де N- число фотонів, які співударяються з електроном.

    Багатофотонний  фотоефект зумовлює зміщення червоної межі в довгохвильову ділянку спектра. 

2. Закони  фотоелектронної  емісії та характеристики фотокатода

    Принцип дії електровакуумних фотоелектронних  приладів заснований, на фотоелектронній емісії. Фотоелектронна емісія - це випускання електронів твердими тілами і рідинами під дією електромагнітного випромінювання (фотонів) у вакуум або ін. середовища. Практичне значення в більшості випадків має фотоелектронна емісія з твердих тіл (металів, напівпровідників, діелектриків) у вакуум [3].

    Для виходу електрона з твердого тіла (фотокатода) у вакуум необхідно, щоб електрон, що мав всередині катода максимальну енергію W , поглинув енергію фотона не меншу, ніж робота виходу електрона для даної речовини. Відповідно до квантової теорії, енергія кванта, у цьому випадку фотона, прямо пропорційна частоті випромінювання: 

    Wкв = hn,      (1.4) 

де  h – постійна Планка; n – частота випромінювання.

    Частота n обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:

    n = с/λ.                  (1.5)

    Енергія фотона може бути виражена через довжину  хвилі випромінювання: 

    Wкв = hc/λ,       (1.6)

де с  – швидкість світла.

    Наприклад, короткохвильове випромінювання, що відповідає фіолетовим променям видимого спектра з довжиною хвилі λ = 0,38 мкм, несе енергію фотона 3,25 еВ, а довгохвильові червоні промені з λ = 0,76 мкм – енергію фотона 1,6 еВ [2].

    Мінімальна  частота n_о, при якій можлива фотоелектронна емісія, називається порогом фотоелектронної емісії. Їй відповідає довжина хвилі λ_о. Її величину для даної речовини можна знайти з умови рівності енергії фотона та роботи виходу: 

     Wкв = Wo.       (1.7) 

    Підставивши сюди значення Wo = ej_o; Wкв = hn₀ =hc/λ₀ отримаємо: 

     n₀ = ej_o / h та λ₀ = hc/ ej_o,     (1.8) 

де j_o – робота виходу, яка залежить від матеріалу фотокатода, еВ.

    Для одержання фотоелектронної емісії в більш широкій області видимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу [10].

    Найпростішим  електровакуумним приладом, що перетворює оптичний сигнал в електричний, є фотоелемент. Він має два електроди: фотокатод та анод. На анод подається постійна позитивна напруга щодо катода. Емітовані з фотокатода електрони рухаються до анода, створюючи в ланцюзі фотострум I_ф.

    Закони  Столєтова та Ейнштейна є основними для фотоелектронної емісії [7].

    Ι закон Столєтова: величина фотоструму прямо пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, при незмінному спектральному складі світла: 

     Iф = SФ,       (1.9) 

де Ф  – світловий потік, лм; S – коефіцієнт пропорційності, який називається

 чутливістю фотокатода, мкА/лм.

    ІІ  закон Столєтова ґрунтується на квантовій теорії: більший світловий потік несе в одиницю часу більше фотонів, отже, більше число електронів може за цей час поглинути по одному фотоні та вийти з фотокатода у вакуум. Цей закон відображається світловою характеристикою (рисунок 1.2, а) [14].

    Рисунок 1.2 – Світлова (а) та спектральні характеристики фотокатода (б, в) 

    Світлова  характеристика – це залежність фотоструму від світлового потоку при постійному спектральному складі світла та незміній анодній напрузі: 

     Iф = f(Ф) при Ua = const.     (1.10) 

    Залежність  має лінійний характер, її нахил залежить від чутливості фотокатода.

    Закон Ейнштейна: максимальна кінетична енергія електрона, що вилетів з фотокатода, лінійно зростає зі збільшенням частоти падаючого світла та не залежить від його інтенсивності. Оскільки різниця енергії фотона та роботи виходу перетворюється в кінетичну енергію електрона, то закон Ейнштейна виражається рівнянням: 

     тv²/2= Wкв – Wo.      (1.11) 

    Підставивши в рівняння Wкв та Wo, отримаємо: 

     mv /2= hn – ej_o.      (1.12)

    Максимальною  кінетичною енергією будуть володіти ті електрони, які всередині фотокатода мали максимальну внутрішню енергію  Wi. При W_KB = Wo кінетична енергія електрона, що вилетів, дорівнює нулю, а при Wкв < Wo фотоелектронна емісія неможлива [15].

    Закону  Ейнштейна підкоряється фотоелектронна емісія із чистих масивних металів. Таку емісію називають нормальною. Однак ці фотокатоди не знайшли застосування через велику роботу виходу, при якій не можна одержати емісію при опроміненні їх видимою частиною спектра. У фотоелементах і фотопомножувачах використають складні тонкоплівкові катоди, наприклад сурм'яно-цезієві, що характеризуються виборчою фотоелектронною емісією. Вони мають максимальну чутливість до променів певної частини спектра.

    Чутливість  – основний параметр фотоелектронного приладу. Розрізняють інтегральну (світлову) і спектральну чутливість.

    Інтегральна чутливість – це чутливість фотокатода до сумарного, не розкладеному в спектр, світлового потоку. Вона визначається як фотострум, викликаний загальним світловим потоком в 1 люмен: 

     S = Iф/ Ф.      (1.13) 

    Для точного визначення інтегральної чутливості як джерело світла вибирають стандартний випромінювач – електрична лампа розжарювання потужністю 100 Вт при температурі нитки 2850 К. Інтегральну чутливість можна визначити також по світловій характеристиці [16].

     Спектральна чутливість – це чутливість фотокатода до монохроматичного світла. Вона визначається як фотострум, що викликаний світловим потоком в 1 люмен даної довжини хвилі: 

     S_λ = Iф/Ф_λ       (1.14) 

     Спектральні властивості фотокатода визначають по спектральній характеристиці, що являє собою залежність спектральної чутливості від довжини хвилі випромінювання. 

     S_λ = f (λ) при Ф = const      (1.15) 

     При нормальній фотоелектронній емісії спектральна характеристика відображає закон Ейнштейна (рис 1.2, б): зі збільшенням λ, тобто зменшенням n, кінетична енергія та швидкість емітованих електронів зменшується, отже, зменшується фотострум і чутливість при Ф=const.

     При виборчій фотоелектронній емісії спектральна характеристика має максимум у певній частині спектра. На рис. 1.2,в наведена як приклад спектральна характеристика сурм'яно-цезієвого фотокатода, що використовується у фотопомножувачах. Цей катод найбільш чутливий до видимої частини спектра (від жовто-зелених до синьо-фіолетових променів); для нього λ_о = 0,7 мкм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Розділ 2 ОСНОВНІ ТИПИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ  ПРИЛАДІВ 

    2.1 Конструкція і принцип дії фотоелементів 

    Фотоелемент – це електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столєтов в кінці XIX століття. Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. ККД вироблених у промислових масштабах фотоелементів в середньому становить 16%, у кращих зразках до 25% [17]. У лабораторних умовах вже досягнуто коефіцієнт корисної дії 40,7% [18].

    Перетворення  енергії в ФЕП засноване на фотоелектричному ефекті, який виникає  в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них сонячного  випромінювання. Неоднорідність структури  ФЕП може бути отримана легуванням одного і того ж напівпровідника  різними домішками (створення p-n переходів) або шляхом з'єднання різних напівпровідників з неоднаковою шириною забороненої зони, або ж за рахунок зміни хімічного складу напівпровідника, що приводить до появи градієнта ширини забороненої зони. Можливі також різні комбінації перерахованих способів.

    Ефективність  перетворення залежить від електрофізичних характеристик неоднорідної напівпровідникової структури, а також оптичних властивостей ФЕП, серед яких найбільш важливу роль грає фотопровідність. Вона зумовлена явищами внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках при опроміненні їх сонячним світлом.

    Конструктивно фотоелемент складається з фотокатода та анода, поміщених в балон, який виконаний зі скла з малим коефіцієнтом поглинання випромінювання в робочому для приладу діапазоні спектра. У фотоелементів, призначених для роботи в УФ-області спектра, у балоні робиться вікно з матеріалу, прозорого в цій області. Деякі фотоелементи мають метало-скляні балони. Конструкції фотоелементів досить різноманітні залежно від призначення приладу. Класифікаційними ознаками можуть бути спектральний робочий діапазон, тип і конструкція фотокатода, режими роботи та області застосування. По областях застосування фотоелементи зручно об'єднати в три основні групи [13].

    До  першої групи можна віднести фотоелементи, призначені для реєстрації порівняно слабо змінних у часі потоків випромінювання, інтенсивність яких набагато більша граничної. Ці фотоелементи застосовуються у звуковідтворюючій кіноапаратурі, у фототелеграфії, у схемах автоматики та контрольно-вимірювальних пристроях. Фотоелементи цієї групи звичайно працюють із довільними джерелами світла, тому основними вимогами до приладів є наявність високої інтегральної чутливості, а також їхня довговічність і взаємозамінність.

    Балон фотоелементів, що випускають для зазначених цілей, являє собою сферу, на частину  внутрішньої поверхні якої нанесений  масивний фотокатод. Анод виконується  у вигляді кільця, сітки, петлі  з тонкого дроту, що розміщують в центрі сфери. Електроди виводяться у вигляді твердих штирів у загальний цоколь або розносяться у два самостійних циліндричних виводи. Типові конструкції фотоелементів першої групи наведені на рисунку 2.1. 

    До  другої групи відносяться фотоелементи, які використовуються для виміру слабких, повільно змінних потоків випромінювання різного спектрального складу, а також для точного виміру світлових потоків у фотометрії. У цих фотоелементах можуть застосовуватися як напівпрозорі так і масивні фотокатоди.