2.10. Световое и оптическое излучения

Световое излучение — очень эффективная форма энергии, по изменению которой можно судить о многих внешних воздействиях расстоянии, движении, темпера­туры, химическом составе и тд. Свет имеет электромагнитную природу. Его мож­но рассматривать, как распространение энергии квантов или электромагнитных волн. Разным зонам спектра даны свои определенные названия УФ излучение, видимый свет, дальний, средний и ближний ИК диапазоны излучений, микро­волны, радиоволны и тд. Название «свет» соответствует электромагнитному из­лучению с длинами волн в диапазоне 0,1…100мкм. Излучение с длиной волны, меньшей длины самой короткой волны видимого диапазона (фиолетовой), полу­чило название ультрафиолетового, а, большей самой длиной волны света (крас­ной), - инфракрасного. Инфракрасный диапазон, в свою очередь, разделен еще на три поддиапазона ближнего (0,9…1,5 мкм), среднего (1,5…4 мкм) и дальнего (4…100 мкм) ИК излучении.

Различные области спектра электромагнитных излучении изучаются в раз­ных разделах физики. На рис.2.10.1 приведен весь спектр от самых коротких волн (γ-лучей) до самых длинных (радиоволн). Скорость света в вакууме с₀ не зависит от длины волны

(2.10.1)

Частота световых волн в вакууме или любой другой среде связана с их длиной волны уравнением, которое можно переписать в виде

(2.10.2)

где с — скорость света в среде.

В 1905 году А. Эйнштейном предположил, что свет имеет квантовую природу, т.е. он состоит из потока элементарных частиц, каждая из которых обладает в заданных условиях определенной энергией. Эти частицы в дальнейшем были названы фотонами. Энергия одного фотона определяется следующим выражением:

E = hν, (2.10.3)

где ν — частота света, a h=6,626075*10^-34 Дж*с=4,13*10^-15 эВ/с — постоянная Планка, выведенная на основе волновой теории света. Столкновение фотона с поверхностью проводника может привести к образованию свободного электрона. Часть энергии фотона φ используется на то, чтобы оторвать этот электрон с поверхности, а другая часть отдается электрону в виде кинетической энергии К_m. Фотоэлектрический эффект можно выразить в виде:

(2.10.4)

где φ называется рабочей функцией испускающей поверхности, а К_m — максималь­ной кинетической энергией электрона после его отрыва от поверхности. Анало­гичные процессы происходят, когда полупроводниковый р-n переход подверга­ется воздействию светового излучения: фотон передает свою энергию электрону, и если эта энергия достаточно большая, электрон становиться свободным, что означает появление электрического поля.

Периодическая решетка кристаллических материалов определяет значения разрешенных зон энергий для электронов, находящихся внутри твердого тел. Энер­гия любого электрона лежит в пределах одной из разрешенных зон, которые отде­лены друг от друга интервалами запрещенных значений энергии (запрещенными зонами).

Если излучение определенной длины волны (с достаточно высокой энергией фотонов) падает на поверхность полупроводникового крис­талла, концентрация заряженных частиц (электронов и дырок) в нем увеличива­ется, т.е. возрастает его удельная проводимость:

(2.10.5)

где е — заряд электрона, μ_е — подвижность электронов, μ_h — подвижность дырок, а n и р — концентрации электронов и дырок.

Рис.2.10.1. Фотоэффект в полупроводнике с участием: А – фотонов с высокой энергией; Б – фотонов с низкой энергией.

На рис.2.10.1А показаны зоны энергий в полупроводниковом материале, здесь Е — ширина запрещенной зоны, измеряемая в электронвольтах (эВ). Нижняя зона называется валентной зоной, которая соответствует электронам, связанным с кри­сталлической решеткой материала. В случае кремния или германия эти электро­ны участвуют в формировании ковалентных связей, обуславливающих внутри­атомные связи внутри кристалла. Самый верхний слой называется зоной проводи­мости. Эта зона соответствует электронам, свободно перемещающимся по крис­таллу. Электроны с такими энергиями участвуют в обеспечении электропроводно­сти материала. Между этими зонами лежит зона запрещенных энергий, ширина кото­рой определяется типом материала: либо полупроводника, либо диэлектрика. Ко­личество электронов внутри кристалла соответствует полному заполнению всех воз­можных мест в валентной зоне. При отсутствии теплового возбуждения и у полу­проводников, и у диэлектриков валентная зона является полностью заполненной, а зона проводимости — полностью пустой. В таких воображаемых условиях ни один из этих материалов не будет обладать электропроводностью.

В металлах энергетические уровни в зоне проводимости являются не полностью заполненными. Поэтому электроны могут свободно перемещаться внутри материа­ла, поскольку для перехода с уровня на уровень им не требуется обладать очень высо­кой энергией. Этим объясняется высокая электропроводность металлов. В диэлект­риках и полупроводниках для того чтобы попасть в зону проводимости, электронам приходится сначала преодолевать зону запрещенных энергий, которая для диэлект­риков составляет порядка 5эВ и более, а для полупроводников несколько ниже (см. таблицу №2.10.1). Этим и объясняется тот факт, что электропроводность полупроводни­ков (не говоря уже о диэлектриках) на несколько порядков ниже, чем у металлов.

Рис.2.10.2. Спектральная характеристика ИК-фотодиода.

Если фотон, обладающий высокой энергией (большой частотой), ударяется о кристалл (рис.2.10.1А), он выбивает из его валентной зоны электрон и передает ему достаточное количество кинетической энергии, чтобы он мог перескочить зону запрещенных энергий и попасть в зону проводимости, т.е. на более высокий энергетический уровень. В зоне проводимости электрон является свободным носителем заряда. Недостаток электрона в валентной зоне означает появление там дырки, которая тоже может рассматриваться как свободный носитель проти­воположного электрону заряда. Увеличение количества дырок выражается в умень­шении удельного сопротивления материала. На рис.2.10.1Б показано, что проис­ходит, когда фотон обладает низкой энергией, недостаточной для преодоления электроном зоны запрещенных энергий. Как видно из рисунка, в этом случае сво­бодные носители зарядов не образуются.

Ширина зоны запрещенных энергий служит тем порогом, ниже которого ма­териал не является фоточувствительным. Однако не следует представлять порог в виде резкой границы. Во время фотоэффекта всегда выполняется закон сохране­ния моментов движения. Момент движения и плотность дырок и электронов в зо­нах валентности и проводимости являются максимальными в центре и падают до нуля у верхнего и нижнего краев зон. Поэтому вероятность возбужденному в ва­лентной зоне электрону най­ти место в зоне проводимос­ти гораздо выше в центре зон, чем по краям. Поэтому спек­тральная фоточувствитель­ность материала начинает ра­сти с энергии фотона Е, по­степенно доходит до макси­мума и потом снова падает до нуля при энергии, соответ­ствующей разности между нижней энергией валентной зоны и верхней энергией зоны проводимости. Типовая спектральная характеристика полупроводникового матери­ала показана на рис.2.10.2. При введении в материал определенных примесей можно менять фоточувствительность материала. Этот способ можно использовать для из­менения формы или получения сдвига спектральной характеристики кристалла. Все приборы, напрямую преобразующие фотоны электромагнитных излучений в носители зарядов, называются квантовыми детекторами. К таким устройствам от­носятся фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы.

Таблица №2.10.1

Ширина зоны запрещенных энергий (эВ) и максимальные длины волн для различных полупроводников.

Фотоны ультрафиолетового и видимого излучений обладают довольно высо­кими энергиями, поэтому детектировать их несложно. Однако при переходе дли­ны волны в зону ИК спектра энергия фотонов уменьшается (например, энергия фотона ближнего ИК диапазона при длине волны 1 мкм составляет 1,24 эВ), что значительно осложняет работу оптических квантовых детекторов. Чем больше уве­личивается длина волны, тем сильнее снижается энергия излучений. Кожа чело­века при 37°С излучает фотоны ближнего и дальнего ИК диапазонов, обладаю­щие энергией порядка 0,13 эВ, что на порядок ниже энергии излучения красного света, делая их трудными для обнаружения. По этой причине маломощные излу­чения чаще определяются тепловыми, а не квантовыми детекторами.

Электромагнитные волны (теперь отойдем от квантовых характеристик све­та) обладают дополнительным свойством поляризацией (более точно плоскостной поляризацией). Это означает, что вектора напряженности переменного электри­ческого поля в любой точке волны параллельны друг другу. Вектора магнитного поля при этом также параллельны друг другу, но в данном случае нас больше ин­тересует электрическая поляризация, поскольку детекторы электромагнитных излучений чаще всего чувствительны к изменениям электрических полей. На рис.2.10.3А показана картинка, иллюстрирующая явление поляризации. Волны на ней перемещаются в направлении оси х. В этом случае говорят, что волна поляризо­вана в направлении оси у, поскольку вектора электрического поля параллельны именно этой оси. Плоскость, определяемая направлением распространения вол­ны (ось х) и направлением поляризации (ось у), называется плоскостью колеба­ний. В поляризованном свете не существует других направлений для векторов поля.

На рис.2.10.3Б показан свет с произвольной поляризацией, источником которого может быть либо солнце, либо различные лампы накаливания, однако луч лазера яв­ляется строго поляризованным. Если неполяризованный свет направить на поляри­зационный фильтр, через него пройдут не все волны, и на выходе будет получено электрическое поле, показанное на рис.2.10.3Б. Поляризационный фильтр пропускает только те компо­ненты волн, векторы электрических полей которых колеблются парал­лельно направлению ориентации фильтра, и поглощает те, плоскость колебаний которых ориентирована под углом к этому направлению.

Рис.2.10.3. А – распространяющаяся электромагнитная волна характеризуется векторами магнитного и электрического поля; Б – неполяризованное электрическое поле, наблюдаемое вдоль оси х (вектора магнитного поля не показаны, но они всегда присутствуют); В – вертикально поляризованное электрическое поле.

Проходящий через фильтр свет име­ет поляризацию, совпадающую с ориентацией фильтра. Направление поляризации фильтра задается в процессе его изготовления. Для это­го в гибкие листы пластмассы встра­ивают определенные длиноцепочечные молекулы и подвергают их растяжению, в результате которого молекулы выстраиваются парал­лельно друг другу. Поляризацион­ные фильтры наиболее широко ис­пользуются в жидкокристалличес­ких матрицах и во многих оптичес­ких датчиках.