Фізичні основи, принцип дії та параметри фотоелектронних приладів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційної техніки

Кафедра прикладної фізики

Комплексна курсова робота

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ, ПРИНЦИП ДІЇ ТА ПАРАМЕТРИ ФОТОЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Суми 2009

Зміст

Вступ

1. Фізичні основи фотоефекту

1.1 Види фотоефекту. Фотоелектронна емісія

1.2 Закони фотоелектронної емісії та характеристики фотокатода

2. Основні типи фотоелектронних приладів

2.1 Фотоелементи

2.2 Фотоелектронні помножувачі

Висновки

Література

Вступ

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 в зростаючому темпі аж до теперішнього часу. В останні роки в цій області досягнуть ряд істотних успіхів. Створено нові фотокатоди як для видимої області спектра, так і для ультрафіолетової. З'явилися нові види фотоелектронних помножувачів, що відрізняються високими значеннями експлуатаційних параметрів.

Фотоелектричними приладами називають електронні прилади, у яких здійснюється перетворення світлового випромінювання в електричний струм.

По виду робочого середовища фотоелектричні прилади можна поділити на електровакуумні (електронні та іонні) і напівпровідникові. По типу фотоелектричного ефекту, що лежить в основі дії приладу, розрізняють:

– фотоелектричні прилади із зовнішнім фотоефектом (електронні й іонні фотоелементи, фотопомножувачі);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом в однорідних структурах (фоторезистори);

– фотоелектричні прилади із внутрішнім фотоефектом у р-п-структурах (напівпровідникові фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори).

1. Фізичні основи фотоефекту

 

1.1 Види фотоефекту

Фотоелектронним приладом називають електронний прилад, призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну. Принцип дії цих приладів заснований на зміні електричних властивостей речовин під дією падаючих на неї випромінювання, зокрема видимого світла. Фотоелектронні прилади поділяються на електровакуумні і напівпровідникові.

Вплив світла на електричні властивості речовини називається 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 фотопомноживачів.

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.

Фотоефект виникає внаслідок зміни енергетичного стану вільних електронів у металі, а також атомів у кристалі напівпровідника при поглинанні енергії випромінювань. Енергія оптичного випромінювання виділяється й поглинається квантами – фотонами, і поширюється у вигляді хвиль, як електромагнітні коливання. При поглинанні фотонів валентними електронами один електрон може поглинути тільки один фотон. За рахунок цього його енергія стрибкоподібно збільшується.

Принцип дії електровакуумних фотоелектронних приладів заснований, як було сказано, на фотоелектронній емісії.

Для виходу електрона з 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 = h, (1.1)

де h – постійна Планка;

n – частота випромінювання.

Частота n обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання λ:

n = с\λ (1.2)

Енергія фотона може бути виражена через довжину хвилі випромінювання:

Wкв = hc\λ, (1.3)

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.

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

Wкв = Wo (1.4)

Підставивши сюди значення Wo = ejo; Wкв = ho та λо = с\o отримаємо

ho = ejo, (1.5)

звідси

o = ejo\h та λо = hc\ ejo, (1.6)

де h, c та е (заряд електронна) – постійні;

jo – робота виходу в електрон – вольтах, яка залежить від матеріалу фотокатода.

Для одержання фотоелектронної емісії в більше широкій області видимої частини спектра необхідні фотокатоди з малою роботою виходу.