1.6 Оптические и электрические свойства полупроводников
Вследствие отражения и поглощения света ПП интенсивность падающего на него монохроматического излучения I0 уменьшается до некоторой величины I, в соответствии с законом Бугера-Ламберта:
I = I0 (1 - R) e (-α x),
где R - коэффициент отражения;
x - расстояние от поверхности ПП до данной точки вдоль луча;
α - коэффициент поглощения (равный толщине слоя).
Поглощение света связано с различными процессами: возбуждением электронов и переходом их из валентной зоны в зону проводимости; изменение колебательной энергии атомов решетки.
Собственные поглощения - это переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Примесное поглощение - связано с ионизацией примеси или возбуждение электрона нейтральной примеси в кристалле.
Используются полупроводниковые приборы принцип работы, которых основан на фотоэлектрическом и электрооптическом преобразовании сигналов.
Электрооптический эффект - это изменение комплексной диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне под действием электрического поля. Это явление используется для модуляции света и управления световым лучом. Материалы, предназначенные для использования эффекта, называют электрооптическими.
Эффект возникает за счет изменения диэлектрической проницаемости (или показателя преломления n=√ε) или рассеянием света при воздействии внешнего электрического поля.
На практике оценивают эффект зависимостью от U внешнего поля Е не самой диэлектрической проницаемости в оптическом диапазоне, а обратной ей величины а=1/ε, называемой поляризационной постоянной (константой).
Эффект зависимости от кристалла. В центросимметричной и изотропной среде (жидкостях) значение Е не зависит от знака приложенного U (функция четная) (кривая 1,рисунок 1.15)
Рисунок 1.15 - Зависимость ε=f(E)
∆а(ε)=RE2,
т.е. пропорциональны квадрату напряженности (R - электрооптический коэффициент Кюри).
В нецентросимметричных - зависимость линейного ∆a=rikΣk, это линейный электрооптический эффект, он существует только в веществах, которые обладают пьезоэффектом (кривая 2).
Материалы: ниобат, танталат, литий, сейчас электрооптическая керамика.
Она применяется как элемент памяти, так как изменения показателя преломления, вызванные приложением Е, сохраняются и после снятия поля.
Существует особый электрооптический эффект - электрически управляемое рассеяние света.
Если керамика поляризована параллельно направлению распространения света, то свет проходит через нее, почти не рассеиваясь.
Если кристалл поляризовать перпендикулярно направлению, то свет интенсивно рассеивается доменной структурой и почти не проходит в прямом направлении, это используется для считывания хранимой информации, возможна и запись, но для этого платину покрывают слоем фотополупроводника.
1.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации
По структуре жидкие кристаллы подразделяют на три класса: нематические, смектические и холестерические.
В нематических кристаллах удлиненные молекулы выстроены в виде нитей, как показано на рисунке 1.16, а (слово «немое» по-гречески означает нить). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью кристалла.
а - нематических; б - смектических; в - холестерических
Рисунок 1.16 - Структура жидких кристаллов
В смектических, жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои (рисунок 1,16, б) и таким образом имеют большую степень упорядочения. Если одно и то же вещество может находиться в обеих жидкокристаллических модификациях, то смектическая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем нематическая. Например, в n-гептилоксибензойной кислоте происходят следующие фазовые превращения с повышением температуры:
Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, поскольку слои легко смещаются относительно друг друга. Слово «смектос» по-гречески - мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.
В холестерических, жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но ориентировка их плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются по пространственной спирали (рисунок 1.16, в). К этому классу относятся в основном соединения холестерина.
Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы (рисунок 1.16 б).
Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на домены - области с одинаковыми направлениями осей молекул. В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазового перехода диэлектрическая проницаемость ε имеет максимум, исчезающий с повышением частоты, как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах велико по сравнению с сегнетоэлектриками, и петли гистерезиса и максимум ε наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1 Гц).
Рисунок 1.17 - Температурная зависимость показателей преломления параазоксианизола в направлении параллельном (n0) и перпендикулярном (n1) молекулярным осям
Структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях: электрического и магнитного поля, температуры, давления и т. д. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменениям оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т. е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым - в холестерических.
Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря присущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния. Слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает выстраивание молекул осями с высокой ε параллельно полю. Однако, если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 102 - 104 Гц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1 - 10 мс, а исчезновения после снятия напряжения - 20-200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.
В основу работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициент поглощения, отражения, рассеивания, преломления, спектральное отражение и пропускание, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием электрического поля.
Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.
Жидкокристальные - сохраняют анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.
Характерной особенностью является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к диэлектрикам R=106-1010, поэтому мощность потребляемая на питании ячейки, не должна превышать (5-50мкВт/см2).
Они самые простые и дешевые, экологичные, перспективно применяются в моногабаритных устройствах: наручных часах, карманных ЭВМ, хорошо совмещаются с микросхемами управления, выполненными по Моп-технологии.
Недостатки:
малый температурный диапазон (-20 - +55ºС);
непостоянство параметра во время работы и срока хранения;
низкое быстродействие.
По виду отображаемой информации ЖКИ бывают: цифровые, буквенно-цифровые, графические, мнемонические, шкальные.
1.8
Твист-эффект
Твист-эффект - заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической анизотропией.
Сущность заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинками, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы «скручены» в спираль, аналогичную холестерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны.
Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный 90º.
При приложении U все молекулы ориентируются вдоль пола и эффект скручивания пропадает. Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии - нет.
При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны рассмотренному случаю.
Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока.
Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых U (0,9-1,5).
Длительность переходного процесса включения-выключения 30-200мс.
Контрольные вопросы к теме 1
Указать энергетические зоны различных материалов и в чем их отличие.
Указать условие нейтральности.
Что такое собственная концентрация, от чего и как зависит?
Примесная проводимость и зависимость ее от температуры.
Как зависит подвижность носителей от температуры?
Понятие эффекта поля и его значимость.
Чем определяется собственная проводимость ПП и от чего она зависит.
Для чего вводят в собственный полупроводник примесь?
Что такое основные и неосновные носители зарядов?