ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE
ZEWN
TRZNE, WEWNETRZNE
I ICH RÓŻNE ZASTOSOWANIA
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN
TRZNE
FOTON DO Ò! ELEKTRON Z
Katoda
Anoda
Światło
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN
TRZNE
hc
hc mv2
Emin = = Ć
=Ć + =Ć +eVstop
min
 2
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN
TRZNE
zależność prądu fotoemisji od natężenia
światła
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWN
TRZNE
zależność prądu fotoemisji od f
e-2Ä… e-3Ä…
2
j = AT (e-Ä… - + -..)
22 32
h(É0 - É)
Ä… =
šT
f1 > f2 > f3
f1
f2
f3
Vstop" f
Zjawiska fotoelektryczne w półprzewodnikach
Równanie neutralności półprzewodnika
Wypadkowy ładunek półprzewodnika (oraz jego dowolnego
małego fragmentu) musi być równy zeru. W przeciwnym
razie, płynąłby prąd.
A
adunki ujemne w półprzewodniku:
elektrony w pasmie przewodnictwa (n)
akceptory, które związały dodatkowy elektron z
pasma walencyjnego (na = Na-= Na-pa)
A
adunki dodatnie:
dziury w pasmie walencyjnym (p)
donory, których elektron przeszedł do pasma
przewodnictwa (pd=Nd  nd = Nd+
W rezultacie otrzymujemy:
n + na = p + pd
n + Na - pa = p + Nd - nd
Równowaga termodynamiczna
 Równowagowe koncentracje nośników (n0 i p0) są
to statystyczne średnie wartości. Nieustannie
zachodzi generacja nośników z niższych stanów
energetycznych do wyższych oraz ich
rekombinacja. W równowadze termodynamicznej
szybkości generacji i rekombinacji są sobie
równe.
 n0 i p0 zależą od mn*, mp* , EF i T.
Warunki nierównowagowe
" Półprzewodniki często pracują w warunkach
nierównowagowych (np. układy
optoelektroniczne, spolaryzowane złącza n-p
itd. ).
 Zatem: n = n0 + dn i p = p0 + dp
 W ogólności, koncentracja nadmiarowych
nośników może zależeć od czasu (dn i dp).
 Jeśli dn i dp są niezerowe, ale niezależne
od czasu , wówczas mamy do czynienia ze
stanem nierównowagowym ale
stacjonarnym.
" Nadmiarowe nośniki mogą być np.
generowane optycznie.
Warunki nierównowagowe: generacja nośników
Å‚adunku
Conduction
Band
Ec =Eg
"E
ED
hf
EA
Ev = 0
Valence
Band
generacja i rekombinacja
" Generacja (G).
" Recombinacja (R)
" W równowadze szybkości
generacji i rekombinacji:
" r = g
Ee
R
G
EC
hv hv
EV
x
generacja i rekombinacja w równowadze termicznej
w półprzewodniku samoistnym
" Szybkość rekombinacji zależy od:
 ilości elektronów: no
 ilości dziur: po
zatem:
 r = Ä…rnopo = Ä…rni2 = gterm
Ee
R
G
ąr - stała proporcjonalności
EC
hv hv
EV
x
generacja i rekombinacja
" różne mechanizmy rekombinacji
Bezpośrednia: pasmo-pasmo
Ee
Auger
R
G
EC Ee
R
G
hv hv
EC
EV
x
Ee
EV
x
R
G
EC
R-G Centrum
EV
x
Pośrednia: przez centra R-G
Równanie ciągłości
dn
szybkość
Szybkość
Przepływ
=
-
+
generacji
rekombinacji
dt
Å‚adunku
Ec
Ev
Równanie ciągłości: rozwiązania
1. Nie ma żadnego zewnętrznego z
ródła
generacji. Równowaga termiczna, nie ma prądu.
n = n0.
dn
szybkość
Szybkość
Przepływ
=
-
+
generacji
rekombinacji
dt
Å‚adunku
0 = gi - ri + 0
ri = gi
ri = Ä…n0p0 i ri = gi = Ä…ni2
2. Jest z
ródło generacji. Nie ma prądu.
dn
= g - r
dt
Szybkość generacji zależy od czynników
zewnętrznych. Szybkość rekombinacji jest tym
większa im więcej jest nośników.
dn
= g -Ä…np
dt
Równanie ciągłości: rozwiązania
W r-dze
n = n0 + ´n i p = p0 + ´p
termicznej:
dn
= g -Ä…(n0 + ´n)(p0 + ´p)
Zatem:
dt
Zakładając, że czynnik generujący przestał w pewnej
chwili działać:
d(´n)
= -Ä…(n0p0 + p0´n + n0´p + ´p´n)
dt
Ponadto, w temperaturze
´p = ´n
pokojowej możemy przyjąć:
Rozwiazanie r-nia ciągłości w niektórych,
szczególnych przypadkach
Dla materiału p (p0 >> n0) przy słabej generacjit p0 >> dn,
równanie upraszcza się do:
d - ´n
´n H" -Ä…p0´n =
dt Ä
n
gdzie
1 1
Ä a" dokladniej : Ä a"
n n
Ä…p0 Ä…(n0 + p0 )
-t
Ä
n
´n(t) = "n e
Gdy natomiast generacja jest silna:
d(´n)
= -Ä…(´p´n) = -Ä…(´n)2
dt
Rekombinacja liniowa
Rekombinacja kwadratowa
Fotorezystory
" Prąd płynący przez półprzewodnik jest proporcjonalny do
strumienia kwantów promieniowania padających na materiał.
" CdS; PbS; Si; Ge
" Najczęściej, fotorezystory są czułe na promieniowanie w
zakresie podczerwieni i widzialnym.
Fotodiody
Zasada działania: diodę p-n
polaryzujemy w kierunku zaporowym:
prąd nie płynie (lub płynie bardzo mały
prÄ…d).
P --- D +++ N
-
+
E
E
E
C
C
C
E
E
E
C
C
C
µ
µ
µ
E
E
E
V
V
V
"Ć
"Ć
"Ć
e
e
e
Holes
0
0
0
E
E
E
V
V
V
p n
p n
- -t
- -
Fotodiody
Zasada działania: światło pada na
obszar złącza, generuje pary elektron-
dziura.
P --- D +++ N
-
+
E
E
E
C
C
C
E
E
E
C
C
C
µ
µ
µ
E
E
E
V
V
V
-
+
"Ć
"Ć
"Ć
e
e
e
Holes
0
0
0
E
E
E
V
V
V
p n
p n
p n
- -
- -
- -
Fotodiody
nieoświetlona
oświetlona
LED
Zasada działania:
h½
pn
+V -V
Energia E = h½ lub
warstwa
E(eV) = 1.24/(µm)
aktywna
Efn
h½
Efn
LED kolory
" Kolor zależy od szerokości przerwy energetycznej.
Efekt fotowoltaiczny: baterie słoneczne
" Wskutek oświetlenia złącza n-p powstaje różnica
potencjałów.
Detektory światła
" Ogniwa fotoelektryczne służą m.in. jako detektory światła.
" Czułość i efektywność przetwarzania światła na ładunek zależy
od materiałów, z których wytworzone są elementy światłoczułe.
Detektory światła
" Najogólniej rzecz biorąc: są to całe sieci ogniw
fotoelektrycznych. W zależności od rozwiązań technicznych
przetwarzania światła na sygnał elektryczny (w szczególności
wzmacniania sygnału) mówi się o detektorach CCD i CMOS.
" Oba typy detektorów przetwarzają światlo na ładunek
elektryczny i dalej na napięcie.
 W detektorze CCD ładunek z każdego pixela jest wysyłany
przez niewielką liczbę połączeń,przetwarzany na napięcie i
wysyłany dalej jako sygnał analogowy.
 W detektorze CMOS każdy pixel ma swój własny
przetwornik ładunek-napięcie, często również wzmacniacz
Detektory światła CCD
" Ideowy schemat układu CCD (charge-coupled
device)
Detektory CCD
Grubowarstwowe, oświetlone z przodu
p-Si
n-Si
SiO2
625µm
Polikrystaliczny Si
Cienkowarstwowe, oświetlone z tyłu
Warstwa antyodbiciowa
p-Si
n-Si
SiO2
15µm
Polikrystaliczny Si
Incoming photons
Incoming photons
Warstwy antyodbiciowe
Si ma współczynnik załamania n = 3.6, co oznacza, że duża
część padającego światła odbija się
n
2
i
n-n
t i
Część fotonów, które
[ ]
n
t
n+n
t i
odbijÄ… siÄ™ na granicy:
Po zastosowaniu warstwy antyodbiciowej(cienki dielektryk):
powietrze
n
i
2
2
n
Warstwa AR
s
n x n-ns
t i
2
[ ]
n n x n+ns
t t i
Si
Detektory CMOS
" CMOS (Complementary MOS)  Technologia
wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych,
składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym
typie przewodnictwa.
" Jak to się ma do detekcji światła?