Geum.ru

Оптические устройства

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3   4


где: h – постоянная Планка;

ν –частота;

λ – длина волны;

с – скорость света.

Электроны, вылетающие из вещества под действием энергии фотонов при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами. Если между облучаемым телом (катодом) и некоторым проводником (анодом) создать электрическое поле с разностью потенциалов ускоряющее фотоэлектроны, то возникает упорядоченное движение этих электронов, называемое фотоэлектрическим током (фототоком). Фотоэлемент с внешним фотоэффектом имеет вид:


Непрозрачный катод нанесен на внутреннюю поверхность колбы, а анод выполнен в виде кольца, расположенного в центре колбы.

Если спектральный состав излучения не изменен, то в соответствии с законом Столетова фотоэлектрический ток насыщения для данного катода равен:


Iн =K· Ф

где: К – фоточувствительность катода;

Ф – мощность излучения, поглощаемого катодом.


Вытекающий из закона сохранения энергии закон Эйнштейна утверждает, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности:


Wк.mak= h·ν 9 – A min,


где: А - работа выхода для электронов вещества, находящихся на наиболее высоком энергетическом уровне в зоне проводимости (уровне ферми).

Отношение числа фотоэлектронов, вышедших из облучаемой поверхности, к числу поглощенных за это же время фотонов называется квантовым выходом (квантовой чувствительностью) фотоэффекта. Соответствующее отношение суммарных энергий фотоэлектронов и фотонов называется энергетическим выходом фотоэффекта. Квантовый выход фотоэффекта для металлов возрастает с увеличениемνвплоть до значений



где W1 – значение энергии электрона на самом нижнем уровне зоны проводимости.

При h> 2 Amin становится возможным явление каскадного фотоэффекта (выбивание одним фотоном двух и более фотоэлектронов), вызывающее увеличение квантового выхода фотоэффекта.

Для повышения чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом и усиления фототоков используется явление вторичной электронной эмиссии. Этот принцип усиления применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), которые обладают чрезвычайно высокой чувствительностью и служат для регистрации предельно малых световых потоков.





Световой поток Ф вызывает фотоэмиссию с фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д1, называемый динодом. Он имеетположительный потенциал относительно катода и является вторично-электронным эмиттером. Ток первичных электронов Iфвыбивает из динода Д1 вторичные электроны. Число их в  раз больше числа первичных электронов ( – коэффициент вторичной эмиссии). Далее ток вторичных электронов с динода Д1 направляется на второй динод Д2и т.д.. С последнего,n –го диода ток Inнаправляется ()на анод А. В итоге ток анода:



Теоретически коэффициент усиления тока равен n и может достигать 108 .

Реальное значение этого коэффициента несколько меньше, так как некоторая часть вторичных электронов не попадает на последующие диноды.

Кроме высокой чувствительности ФЭУ обладают высоким быстродействием. Их недостаток – необходимость источника высокого стабилизированного напряжения (1 ÷ 2)кВ.

К фотоэлектронным приемникам относятся также электронно-оптические преобразователи (ЭОП) и некоторые передающие телевизионные трубки. ЭОП содержит нанесенный на стеклянную пластину фотокатод ФК.





Под действием излучения, несущего изображение объекта с фотокатода вылетают электроны. Причем число электронов, выбиваемых с различных участков катода, изменяется в соответствии с распределением интенсивности в спроецированном на катод изображении объекта, фотоэлектроны ускоряются электрическим полем на участке между фотокатодом и флюоресцирующим экраном Э, собираются фокусирующей системой ФС и бомбардируют экран, что вызывает свечение экрана. Входное излучение может быть невидимым (инфракрасным, ультрафиолетовым или рентгеновским). Благодаря длительному послесвечению экрана (до нескольких секунд), ЭОП сегодня является единственным средством визуального наблюдения быстропротекающих процессов, в частности, позволяют наблюдать лазерные импульсы с чрезвычайно малой длительностью 10-12 ÷ 10-13 с.

Широкое распространение получили фотоприемники с внутренним фотоэффектом (изменение электропроводимости вещества при его освещении), а также с фотоэффектом в запирающем слое (возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света) который используется в полупроводниковых элементах.


Фоторезисторы.


В них используется явление изменения сопротивления вещества под действием излучения. Возможны две конструкции фоторезисторов:



Между двумя электродами 1 и 2 (в продольной конструкции электрод 1 прозрачный для излучения В) помещается активный слой 3 (сернистый галлий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д.). В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Полупроводник обладает начальной проводимостью 0, которая называется темновой:

0 = q (n 0 n+p 0 p) ,

где q – заряд электрона;

n0 , p0- концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии;

n, p - подвижность электронов и дырок в данном полупроводнике.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации. Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводимости или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводимости.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину nи p и проводимость его резко возрастает:

 = q (n0 + n )n + ( p0 + p ) p.

Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фотопроводимость:

ф =  –0q (nn + pp).

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника. При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарастает со временем по экспоненциальному закону:

),

где: N – число фотонов, падающих в секунду на единицу площади;

 – коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником;

 – квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;

 – время жизни неравновесных носителей заряда.

Если время облучения достаточно велико: t (3  5)  – то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причём когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником) то число неравновесных дырок равно числу неравновесных электронов:

Ncт =pст = N

При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного знака, имеет место или электронная или дырочная фотопроводимость, причем в переходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону. Если выключить облучающий поток света, то изменение концентрации неравновесных носителей заряда при n( n0 + p0 )описывается выражением:



Явление постепенного измененияфпри включении облучающего потока называют релаксациейфотопроводимости.


Фотодиоды.


Фотодиоды имеют структуру обычного р – n перехода :




1 – стеклянная подложка;

2 – полупроводник (германий, кремний, селен, сернистый галлий, сернистое серебро);

Ф – световой поток;Еф– фото-ЭДС.

Пусть р – n переход находится в равновесии, т.е. в исходном состоянии к нему не приложена внешняя разность потенциалов. Вследствие оптического возбуждения в р– и n– областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Так как в области объемного заряда концентрация носителей меньше, чем в р– иn– областях, то под влиянием градиента концентрации электронно-дырочные пары диффундируют к р –n переходу. На границе перехода они разделяются, и неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, значение которого однозначно связано с контактной разностью потенциалов, перебрасываются через переход в область, где являются основными носителями заряда. Электрический ток, созданный ими, есть полный фототок. Дырки тормозятся электрическим полем иостаются в р– областях. Таким образом, а результате освещения полупроводника, по обе стороны от р – nпереходаувеличиваются концентрации основных носителей заряда. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые на расстоянии от перехода, большем диффузионной длины, успевают рекомбинировать, не достигнув перехода. Поэтому они не вносят вклада в фототок.

Если р –nпереход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n– области и положительного в р – области зарядов. Объемный заряд этих основных носителей заряда частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину р – nперехода и снижая потенциальный барьер, что приводит к нарушению условия равновесия и возникновению диффузионного движения через переход основных носителей заряда. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (Uк – Еф ), где Uк – контактная разность потенциалов. При этом поток неосновных носителей заряда через переход, вызванный световым облучением, полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей заряда.

ЭДС, возникающую при этих процессах называют фотоэлектродвижущейсилой или фото–ЭДС, Еф . Она зависит от светового потока, облучающего р – n переход, и ряда других факторов, но ее максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов. Фото–ЭДС может быть использована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь прибора. При этом фотодиод работает в режиме фотогенератора без постороннего источника напряжения, непосредственно преобразуя световую энергию в электрическую. Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии Uвн , положительный полюс которого подключается к n – слою, а отрицательный к р – слою.







Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток Iт. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р – n переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком.

Значение фототока в первом приближении можно найти из выражения:

,

где: Sинт - интегральная чувствительность.

Спектральные характеристики фотодиодов практически захватывают всю видимую инфракрасную область спектра (300 – 750 нм). Инерционные свойства фотодиодов характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в  раз по сравнению со своим статическим значением. Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов – порядка 107 Гц. Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов: на основе р – i – n – структур, с барьером Шотки, лавинные фотодиоды и др.

Фотодиоды, выполненные на основе р – i – n – структур, имеют значительно большую толщину области, обедневшую основными носителями заряда, так как между р– и n– областями имеетсяi –область с собственной электропроводностью. К переходу без риска пробить его можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает иƒгрдостигает 1010 Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота (0,01 мкм) и сернистого цинка (0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов быстродействие получается достаточно высоким, ƒгр1010 Гц.

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой р – nперехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области р – n – перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью:

М =


где: Uпер. – напряжение на переходе;

Uпроб.л. –напряжение лавинного пробоя перехода, при котором ;

b – коэффициент, зависящий от материала (b = 3,44 для Sin – типа,b =1,52 для Ji р – типа).

Коэффициент лавинного умножения может достигать от нескольких десятков до десятков тысяч единиц.Использование лавинного режима позволяет существенно увеличить чувствительность фотодиодов и повысить их быстродействие до ƒгр= 1012 Гц. Эти фотодиоды считаются одними из наиболее перспективных элементов оптоэлектроники.


Фототранзисторы.


Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но соответствующие токи оказываются усиленными. Напряжения питания на фоторезистор подают так же, как и на обычный биполярный транзистор, т.е. эммитерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным. Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор всегда находится в активном режиме, однако при Ф = 0 протекающий через него ток невелик.

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии (структура р – n – р) в ней генерируются электронно-дырочные пары.

Неосновные носители заряда в базе дырки диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая его ток. Этот процесс аналогичен процессу в фотодиоде. Если база разомкнута, то основные носители заряда электроны, образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу, и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Интектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу и, переходя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом, носители заряда, генерируемые в результате облучения светом, непосредственно участвуют в создании фототока.

Такие же процессы происходят и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. В этом случае появляется дополнительная возможность управлять током фототранзистора. Ширина полосы пропускания у биполярных фототранзисторов достигает 105 Гц. Кроме фототранзисторов р – n – р и n – p – n типов в качестве высокочувствительных фотоприемников используют полевые фототранзисторы. Они имеют высокую фоточувтвительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (до 108 Гц), значительную мощность рассеивания. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным транзисторам. Полевой фототранзистор выполняется с управляющим р – n – переходом и также как обычный полевойтранзистор, имеет три электрода: исток, сток, затвор. Объем проводник между стоком и истоком образует проводящий канал. Затвор отделен от канала р – n – переходом, область объемного заряда которого модулируется потенциалом затвор-истокUзи. Переход затвор-канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого вызывает падение напряжения на резисторе Rз, включенном в цепь затвора:





При Ез = const это приводит к модуляции потенциала затвора:

Uзи= Ез – IфзиRз

и соответствующим изменениям сопротивления канала.

При малом световом потоке Ф Фmin транзисторпрактически заперт, Ic 0. При Ф Фmin в цепистока протекает ток, значение которого зависит от светового потока, причем до Ф Фmax энергетическая характеристика близка к линейной. При большом световом потоке Ф Фmax влияние напряжения затвора на Iфзистановится малым и его изменения почти не влияют на ток стока, который близок к максимальному значению. Инерционность полевого фототранзистора определяется инерционностью фотодиода в области затвора и временем пролета носителей заряда через канал и оценивается значениями 10-6 10-9 с.


Световоды.


Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Для того, чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела света излучателя и проводящей среды (световода), последняя должна обладать большим коэффициентом преломления, так как коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для GaAsn = 3,6, где эти материалы имеют большую оптическую плотность. Среды с большим коэффициентом преломления называются иммерсионными.

Иммерсионное вещество должно иметь высокий коэффициент преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, хорошо согласовываться по коэффициентам расширения с материалами фотопреобразователей. Для использования в интегральных схемах перспективными считаются стекла свинцовые (n= 1,2  1,9) и селеновые(n = 2,4  2,6), используют их в оптронных парах.

В оптоэлектронике применяется также волоконная оптика, которая во многих случаях имеет и самостоятельное значение. Работа элементов волоконной оптики основана на том, что свет передается по отдельному тонкому волокну, не выходя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения. Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Световод волоконной оптики состоит из сердечника 1 и отражающего покрытия 2.




Коэффициент преломления покрытия nпменьше коэффициента преломления сердечника nс (nсnп). В таком волокне малого диаметра свет проходит, не выходя на поверхность волокна, если угол изгиба волокна меньше 900 и угол, под которым свет попадает в световод, меньше 1max. Максимальный угол отражения от оси, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение, определяют из уравнения:



Коэффициент А0называется числовой апертурой световода. Распространяясь вдоль волокна, световой луч претерпевает многократные отражения. В результате эффективность светопередачи зависит от качества изготовления волокон, объемных неоднородностей и неровностей поверхностей волокон, а также от коэффициента поглощения материала.

Лучи, падающие на торец под углом S1max (внеапертурные лучи), при взаимодействии с покрытием частично отражаются, а частично уходят из световода. После многих встреч с границей «светопроводящая жила – покрытие» они полностью рассеиваются.

Следует отметить, что волокно передает информацию только о значении суммарного светового потока, попавшего на его входной торец, так как в результате многократных отражений на выходном торце будет равномерная освещенность, пропорциональная общей интенсивности света, падающей на входной торец. Светодиоды вносят некоторое запаздывание в передачу сигнала, которое очень мало (10-10с/м). Лучи распространяются вдоль волокна и в том случае, если уменьшение показателя преломления происходит не ступенчато, а плавно от центра к краю (обычно по параболическому закону). В таких волокнах из-за наблюдающейся рефракции волн (преломления) лучи самофиксируются вдоль оси, так как любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза. Подобныесветоводы называются градиентными (селфоками или граданами).

Показатели преломления света зависят от длины волны, что обусловлено различием скоростей распространения волн различных типов (мод). Поле диэлектрического цилиндра (сердечника) распадается на поперечно-магнитные ТМ и поперечно-электрические ТЕ моды, которые являются радиально-симметричными, распространяются также гибридные моды, обозначаемые НЕ и ЕН (обозначение зависит от того, какой из компонентов Н или Е дает больший вклад в поперечное поле. Если на торец световода воздействовать световым импульсом немонохроматического излучения, то на входе будет наблюдаться «размытие» сигнала и увеличение его длительности. Это связано с тем, что каждая мода характеризуется частотой отсечки, поле частично канализируется сердечником и имеются непрерывные излучательные потери. Существует только одна мода, обозначаемая НЕ11, у которой отсечка отсутствует. Эта мода называется фундаментальной или основной. Оптические волокна, в которых распространяется только эта мода, называются одномодовымисветоводами. Режим распространения только одной моды НЕ11 получают, выбирая параметры световода таким образом, чтобы следующие высшие моды с более высокими частотами отсечки не могли возбуждаться в волокне.

Одномодовые волокна предназначены для передачи волн одной частоты (монохроматических) и дают большие искажения сигнала в многомодовом режиме. Диаметр их обычно от нескольких мкм до десятков мкм. Многомодовые волокна позволяют без существенных искажений передавать немонохроматические световые сигналы. При этом увеличение их длительности и «размытие» сравнительно невелики, особенно в селфоках, и могут достигать 10-9 10-10 с/км. Диаметр волокон, предназначенных для передачи многомодовых сигналов, обычно больше, чем у одномодовых.

В зависимости от состава стекла удельное электрическое сопротивление световода от 1014 до 1020Ом/см. Это позволяет также применять световод для передачи электрического сигнала. В ряде случаев поверхность волокна дополнительно металлизируют.

Материалами для волоконныхсветоводов, в том числе и для покрытия, служат различные стекла: органические и неорганические. Длина световода может быть любой и ограничена лишь ослаблением в нем светового потока, оцениваемого затуханием светового сигналаВ, которое обычно имеет размерность дБ/км (децибел/км):