Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства. Энергетический расчет пирометра (фотометра)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?оложения возбужденных электронов.
. Переход электрона, сопровождающийся излучением фотона.
Рисунок 2 - Излучательные переходы в запрещенной зоне полупроводника
К основным электронным переходам с излучением относятся следующие (рисунок 1):
Межзонные излучательные переходы (1) с излучением возможны лишь в прямозонных полупроводниках (например, GaAs и другие соединения А3В5 и их твердые растворы). Излучательные переходы 2, 3, 4 возможны в любых полупроводниках, но с участием примесных уровней. Примеси в этом случае носят название центров свечения или активаторов и в общем случае включают в себя системы, состоящие из комплексов дефектов и примесей, обеспечивающих излучательные переходы электронов. Излучательные переходы 1, 2, 3 включают в себя участие свободных носителей (электронов и дырок) в зонах проводимости и валентной, т.е. связаны с изменением проводимости полупроводника.
Данные процессы объединяются названием рекомбинационная люминесценция. Излучательные переходы электронов с возбужденного на основной уровень (4) происходят только лишь в пределах одного примесного центра, т.е. не связаны с изменением концентрации свободных носителей и проводимости полупроводника. В этом случае говорят о внутрицентровой люминесценции. Различные виды рекомбинационной и внутрицентровой люминесценции обладают разными характеристиками.
Кроме центров свечения в полупроводниках могут существовать примеси, образующие центры тушения (гашения), которые могут служить центрами безызлучательной рекомбинации, снижающими эффективность процессов излучения. Вероятность излучательных процессов с участием примесных центров возрастает с ростом их концентрации до определенного предела, с превышением которого эффективность генерации излучения уменьшается (концентрационное тушение). С ростом температуры полупроводника выход излучения также уменьшается (температурное тушение). При высоких уровнях возбуждения возможно появление Оже-рекомбинации, когда энергия электрона передается другим электронам в зоне проводимости, они переходят на более высокий уровень энергии без изменения их общей концентрации и значения проводимости полупроводника. Вероятность Оже-рекомбинации возрастает с увеличением концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике.
Соотношение между числом излучательных и безызлучательных переходов определяет внутренний квантовый выход ?к, равный отношению числа фотонов к числу электронов, прошедших через полупроводник. Для некоторых видов люминесценции внутренний квантовый выход приближается к единице, особенно при достаточно низких температурах. Так как не все фотоны выходят из источника излучения, он характеризуется внешним квантовым выходом ?ке =?к•К0, где коэффициент К0 учитывает потери, связанные с отражением и поглощением света. Внутренний квантовый выход определяется тремя составляющими - ?к = N•?•P, где ? - доля рекомбинаций, происходящих в люминесцирующей области полупроводника, Р - доля излучательных рекомбинаций, N - число рекомбинаций, вызываемых одним электроном. Величина внутреннего квантового выхода уменьшается с ростом температуры. Внешний энергетический выход (КПД) люминесценции, определяется как ?е= ?кеh?/еV, где h? - энергия фотонов (Дж), еV - энергия электронов (Дж), прошедших разность потенциалов V. Аналогичный параметр - светоотдача характеризует эффективность источников излучения в видимом диапазоне - ?L = ФL/W, где ФL - световой поток излучения (лм), W - потребляемая источником мощность (Вт).
7. Расчет потока излучения, падающего на фоточувствительный элемент ПОИ
Для приемного устройства, изображенного на рисунке 1, с учетом того, что расстояние от ИИ до приемного устройства много больше размера излучающей поверхности ИИ и диаметра входного зрачка объектива, поток излучения, падающий на фоточувствительный элемент ПОИ:
, (1)
где - коэффициент пропускания среды и оптических систем;
- энергетическая яркость ИИ;
- расстояние от выходного зрачка объектива до рассматриваемого сечения пучка;
- площадь излучающей поверхности ИИ;
- площадь входного зрачка объектива приемного устройства.
Яркость ИИ в виде черного тела (ЧТ) следует определять, исходя из того, что пространственное распределение излучения ЧТ подчиняется закону Ламберта. Поэтому:
, (2)
где - энергетическая светимость ЧТ при данной температуре ;
- поток излучения ЧТ;
- площадь излучающей поверхности ЧТ.
Закон Стефана-Больцмана. Для абсолютно черного тела энергетическая светимость (мощность излучения с единицы площади на всех длинах волн) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:
(3)
Коэффициент пропорциональности =5,67?10-8 Вт?м-2?К-4 называют постоянной Стефана-Больцмана. Поток излучения с площади S черного тела равен
(4)
Откуда энергетическая яркость ИИ при температуре 2000 К
(Вт/м2)
Для поверхности в форме круга площадь поверхности
(м2)
(м2)
Тогда поток излучения, падающий на фоточувствительный элемент ПОИ
(Вт)
8. Расчет интегральной чувствительности ПОИ к излучению ИИ
Спектральное распределение энергетической светимости источника типа А считаем совпадающим с излучением ЧТ с температурой Т=2856 К.
8.1 Построение графиков
Строим следующие графики:
1.Отно?/p>