3. 3. Фотонные приемники излучения оптического диапазона. Физические основы их работы.

Принципиальная разница фотонных приёмников излучения по сравнению с тепловыми состоит в том, что физические основы работы фотонных приемников связаны с взаимодействием электромагнитной волны (лучистого потока) с носителями заряда (электронами, дырками); электрические явления обусловлены нарушением равновесия между электронами и решеткой. В тепловых приемниках изменение электрических свойств обусловлено нагреванием кристаллической решетки излучением, что не сопровождалось нарушением равновесия между электронами и решеткой. Фотонные приемники излучения создаются на основе твердого тела, в основном полупроводников, это, большей частью, кристаллические структуры, но изготавливаются приемники и на аморфных твердых телах.

3. 3. 1. Краткие сведения из физики твёрдого тела.

При образовании твердого тела соседние атомы настолько близко сближаются друг с другом, что внешние электронные оболочки не только соприкасаются, но и перекрываются. Вместо индивидуальных атомных орбит, отдельных энергетических уровней, образуются единый для всего кристалла коллектив – зоны. Но число атомов не изменяется. Если в атоме n электронов, а атомов N, то общее число электронов будет nN. Внутренние оболочки атома целиком заполнены. Электроны внутренних оболочек не могут переносить электрический ток. На каждом уровне находится два электрона (по принципу Паули) с противоположными направлениями движения, суммарный ток равен нулю. Энергетические уровни атомов в кристалле под влиянием взаимодействия объединяются и расщепляются в зоны. В верхней зоне, которая образовалась из уровней, на которых расположены валентные электроны, имеют место процессы проводимости носителей заряда. Теперь электрон взаимодействует не с одним атомом, а со всеми атомами кристалла. Зоны энергии в твёрдом теле подразделяются на

• полностью занятые электронами, валентные зоны,

• частично или целиком незаполненные зоны, зоны проводимости.

Введём понятие ширины запрещённой зоны, Е_g, это - энергия, которую необходимо сообщить электрону для преодоления энергетической щели и перехода из валентной зоны в свободную зону, зону проводимости, где он может начать двигаться под действием внешнего электрического поля и создавать ток. В валентной зоне после перехода электрона в зону проводимости остаётся свободное состояние, которое принято называть дыркой.

Рассмотрим случаи, которые встречаются в действительности и определяют разделение твёрдых тел на диэлектрики, полупроводники и металлы.

1. Диэлектрик - валентная зона заполнена носителями заряда целиком, расстояние до следующей зоны велико (E_g > 2 эВ), проводимость отсутствует.

2. Металл – валентная зона заполнена частично, либо перекрывается со следующей свободной зоной. При наличии электрического тока электронам сообщается энергия, в свободной зоне появляются электроны проводимости. Металлы хорошо проводят электрический ток.

3. Полупроводник – валентная зона заполнена целиком, но расстояние до следующей зоны, свободной, мало. При 0К валентная зона заполнена, зона проводимости пуста и проводимость равна нулю. С повышением температуры экспоненциально растет число тепловых забросов электронов, растет число электронов в зоне проводимости и число дырок в валентной зоне по закону: ~ А×ехр(-E_g/kТ). Одновременно идет процесс рекомбинации, обратный процесс. Если полупроводник находится в равновесии, число тепловых забросов равняется числу рекомбинаций. Подвижность носителей заряда в полупроводнике, m– скорость дрейфа электронов в поле напряженностью 1 В/см (m имеет размерность [cм²/В×с]). Можно показать, что проводимость пропорциональна концентрации и подвижности носителей заряда: s = enm, где е – заряд электрона, n – концентрация носителей заряда (n-электронов, р-дырок); а подвижность электронов или дырок m = е×t/m, где t- время релаксации, m – эффективная масса носителей заряда. Время релаксации определяется, как время носителей заряда между их столкновениями.

На практике мы имеем дело в основном с полупроводниками, обладающими не собственной проводимостью, а примесной. В реальных кристаллах существуют нарушения периодического потенциала решетки, обусловленные тепловыми колебаниями атомов, всевозможными дефектами (точечные, междоузельные и т.д.). В области собственной и смешанной проводимости электронная и дырочная проводимости складываются:

s = е(nm_n + pm_p),

где m_n и m_p – подвижности электронов и дырок, соответственно.

Примесные полупроводники разделяются на материалы электронного и дырочного типа проводимости, а инородный атом, попавший в решетку кристалла, является, соответственно, донором или акцептором.

Для анализа явлений в твердом теле недостаточно знать, сколько электронов при данной температуре находится в зонах, а необходимо знать, как они распределены по энергиям. Для этого вводится функция распределения Ферми f₀(E). Она характеризует вероятность того, что состояние с данной энергией занято:

f₀ = n(E)/g(E),

n(E) – число электронов по энергиям, g(E) – число состояний по энергиям.

Функция Ферми, функция распределения, определяется, как

f₀ = 1/exp[(E-E_F)/kT + 1],

где E_F – уровень Ферми, уровень химического потенциала. Уровень Ферми – наибольшая энергия, которой обладает электрон при Т = 0К в обычном, невозбужденном, состоянии. Вероятность наличия у электронов энергии, большей E_F, равна нулю, а все энергетические уровни, ниже E_F, заняты. От этого уровня отсчитывается работа выхода электрона из твердого тела.

Чтобы оторвать от атома валентный электрон, необходимо затратить работу, т.е. сообщить электрону энергию, необходимую для преодоления сил притяжения, для преодоления потенциального барьера. Эта энергия называется работой выхода. Это - минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из твердого тела (металла, полупроводника). Она измеряется расстоянием от уровня Ферми, уровня химического потенциала, до потенциала электрона в пустоте, до уровня вакуума. Уровень вакуума есть энергия, которой обладает электрон, покидающий поверхность металла (полупроводника) и имеющий в вакууме нулевую кинетическую энергию.

Фотонные приемники излучения в отличие от тепловых приемников – селективные. Электрон должен выйти из твердого тела или преодолеть запрещенную зону, т.е. иметь энергию hn > Е_g. У этих приемников имеется красная, длинноволновая граница фоточувствительности.

Обратимся к фотоэлектрическим явлениям. Это электрические явления, происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. К фотоэлектрическим явлениям относятся:

• фотоэффект внешний,

• фотоэффект внутренний, фотопроводимость,

• фотоэффект на p-n-переходе,

• фотоэлектромагнитный эффект.