Фотоэлектродвижущая сила - Эффект Дембера.

При облучении полупроводника в приповерхностном слое резко возрастает концентрация носителей заряда. По отношению к необлученной поверхности появляется градиент концентраций, который вызывает диффузию носителей заряда вглубь полупроводника. Поскольку коэффициенты диффузии электронов и дырок различны, происходит пространственное разделение зарядов. Более подвижные электроны проникают на большую глубину. В результате освещенная поверхность заряжается положительно, а противоположная, неосвещенная - отрицательно. Следовательно, в направлении луча возникнет электрическое поле – фотоэлектродвижущая сила (фотоЭДС). Чем больше различаются подвижности носителей заряда ( u_n и u_p ), тем больше будет разность потенциалов.

Подвижность носителей заряда.

Вещество	uп, см2 / В с	uр, см2 / В с
Si	1300	500
GaAs	8500	420

Электрическое поле вызывает дрейфовый поток электронов в обратном направлении. Разность диффузионного (фототок) и дрейфового потоков поддерживается внешним источником энергии, в данном случае световой.

ФотоЭДС возникает и в p-n переходе диода. Такие диоды используются для измерения мощности светового излучения в качестве фотоприемника. Режим работы диода, при котором на него подается отрицательное напряжение и оно остается отрицательным при освещении диода, называют фотодиодным. Фотоприемник без внешнего смещения является фотоэлементом .

Фотоэлементы преобразуют световую энергию в электрическую, поэтому их используют для питания космической и бортовой радиоэлектронной аппаратуры, систем автоматики, калькуляторов, телефонов аварийной связи на дорогах, электронных расходомеров газа, нефти в удаленных местах, осветительных и нагревательных устройств домов, теплиц, двигателей транспортных средств Фотоэлементы (с фотоЭДС) в качестве датчиков излучения на 2 - 3 порядка чувствительнее, чем фоторезисторы (с внутренним фотоэффектом). При освещении фотодиода на нагрузочном сопротивлении R появляется сигнал V = I R, который и регистрируется. У фотодиодов существенно выше чувствительность и быстродействие - до 10 ^-9 с.

Малоразмерные электронные устройства требуют соответствующих элементов питания. Для увеличения эффективности миниатюрных фотоэлементов можно использовать трехмерные структуры. Профиль параболы позволяет существенно увеличить площадь принимающей поверхности.

Рис. Структура объемного микропараболического фотоэлемента.

Чувствительные к свету солнечные ячейки (DSSC) имеют розовый цвет из-за наличия в их составе рутения и частичек титана или оксида цинка, которые поглощают солнечный свет и превращают его в электрический ток, запасая энергию в конденсаторах. Такие батареи в 4 раза дешевле.

Ячейка площадью около 1 кв. см состоит из слоев фосфида галлия индия (InGaP), арсенида галлия (GaAs) и  индий арсенид галлия (InGaAs). Подобную структуру Sharp уже демонстрировала в 2009 году, когда был установлен рекорд преобразования в 35,8%. Разработчики смогли улучшить показатели на 1,1% за счет снижения сопротивления в переходах и увеличения коэффициента заполнения элемента до 87,5% (против 85,6% в 2009 году).

 

Фотоупругость.

При механическом или температурном воздействии на прозрачную упругую среду изменяется плотность ρ этой среды, что влечет за собой изменение коэффициента поглощения α, коэффициента отражения R.. Эффект используется для дистанционного измерения температуры и давления в фотоупругих жидкостях, газах (в живых организмах, аэродинамических и гидродинамических системах), ветровых давлений на поверхностях наземных сооружений и движущихся предметов.

Рис. Вверху - структура датчика давления с использованием фотоупругого материала (photoelastic material), внизу – график зависимости интенсивности оптического сигнала от давления.

Конструктивно датчик представляет собой объем фотоупругого материала с прозрачными (красными) боковыми стенками в разрыве оптоволоконной линии передачи. Верхняя стенка выполнена в виде мембраны, которая передает внешнее давление материалу. В результате меняется показатель преломления материала, его волновое сопротивление, коэффициенты отражения и поглощения. Оптический сигнал, проходя через датчик, изменяет свою интенсивность.

Термическое воздействие света.

При поглощении световой энергии в зависимости от интенсивности поглощаемого сигнала происходит изменение таких параметров вещества как длина r и угол связи α между атомами в молекулах, полиморфные превращения, разрушение (испарение). Локальное воздействие света на центр микрорезонатора в виде мембраны или балки вызывает акустические колебания

Световая энергия может являться катализатором химических реакций. В частности, в фотохромных материалах это приводит к изменению цвета. В случае кристаллических соединений действие света может сводиться к перемещению электронов или атомов из одних узлов кристаллической решетки в другие. Так, светозащитное фотохромное стекло содержит около 0,5% хлорида или бромида серебра, сплавленного с боросиликатами щелочных металлов. Под действием света происходит перенос электронов от ионов галогена к ионам серебра; образовавшиеся атомы серебра делают стекло непрозрачным. Обратная реакция может идти под действием света с другой длиной волны или в темноте. Такое стекло используется для изготовления солнечных очков, окон зданий и автомобилей. Для изготовления иллюминаторов самолетов используют пластиковые стекла, содержащие фотохромный краситель, который темнеет на ярком солнечном свету, а при слабом освещении восстанавливает свою прозрачность. Если в прозрачную пластмассу ввести всего 0,1% гексакарбонила хрома Cr(CO)₆, то при облучении бесцветное вещество окрашивается в интенсивный желтый цвет в результате отщепления одной молекулы СО. В темноте при комнатной температуре примерно в течение 4 ч происходит обратная рекомбинация СО и Cr(СО)₅, и цвет исчезает.

Флуоресцирующий многослойный диск (ФМД - FMD), содержащий записанную информацию, не отражает, как подложка в DVD или CD, а излучает. При освещении активирующим излучением полупроводниковым лазером, вещество начинает излучать, сдвигая спектр падающего (λ = 650нм) на него излучения в сторону красного цвета до λ = 680 нм. Поскольку величина сдвига зависит от толщины слоя, можно записывать информацию вглубь диска и впоследствии считывать ее без потери данных. Плотность записи будет зависеть от чувствительности регистрирующего детектора. Чем меньше то дополнительное излучение флюоресцирующего вещества, добавляющееся к частоте рабочего лазера, который удастся зафиксировать, тем большее число слоев можно вместить в один диск.

Рис. Схема считывания с флуоресцирующего многослойного диска.

Используя синий лазер (480нм) можно увеличить плотность записи до десятков Терабайт на один диск. Вполне возможно создание диска с 1000 слоями - это уже субмолекулярные размеры. Теоретически возможно создание пятна размером в несколько молекул. Проблема лишь в том, как зафиксировать столь малое флуоресцентное излучение. Возможно параллельное чтения слоев, т.е. последовательность бит будет записана не по "дорожкам", а по слоям. Принцип записи на ФМД основан на явлении фотохромизма полимера из серии фульгидов. Под действием лазерного луча определенной длины волны в микрообъеме происходит фазовый переход – циклизация полимера. Под действием лазера с другой длиной волны происходит обратная реакция рециклизации, приводящая к исчезновению флуоресцентных свойств - операция стирания.

Световое некогерентное излучение в процессе фотолитографии приводит к фазовому превращению фоторезистивного покрытия: в зависимости от типа материала происходит полимеризация или разрушение вещества из-за разрыва связей. Фотохимические реакции обладают высокой спектральной избирательностью: ультрафиолетовое излучение активно, а красное – не влияет.

Разнообразно использование лазера в технологических процессах. Сфокусированный луч способен формировать разнообразной конфигурации отверстия и контуры даже в тугоплавких металлах. В нанотехнологии лазерный луч испаряет материалы для получения тонких слоев, участвует в прецизионной литографии, разрушает металлоорганические газообразные соединения с целью осаждения металлического слоя на подложку в местах прохождения луча. Термические свойства лазерного излучения используются в принтерах высокого разрешения, при термомагнитной записи для нагревания выше температуры Кюри места перемагничивания. 

Сравнение основных параметров приводов и носителей CD, DVD, HD-DVD и Blu-ray Disc

Световоды.

Наиболее широко использование распространение света в свободном пространстве. Отклонение луча от прямолинейной траектории осуществляется с помощью зеркал. Произвольная траектория, но с большими потерями, формируется световодами: оптическим волокном, планарными оптическими волноводами, фотонными кристаллами.

Волоконная оптика.

Волоконнооптический световод состоит из сердечника с показателем преломления n_с и отражающего покрытия (оболочки) с n_об . При условии n_с > n_об и  < _кр ( где Sin _кр = n_об / n_с ) свет испытывает полное внутреннее отражение от оболочки и распространяется внутри световода. При  > _кр часть световой энергии проходит через оболочку и рассеивается в пространстве.

 < _кр

_кр

 > _кр

n_с n_об

Рис. Схема ввода и распространения света по световоду - волокну.

Интенсивность светового пучка:

J (x) = J (0) exp ( -  l_эф ) ,

где  - коэффициент поглощения (ослабления), зависящий от

- поперечных размеров волокна,

- дефектов структуры сердечника и оболочки,

- дефектов поверхности (шероховатости, загрязнения).

Удовлетворительное значение  = 3 дБ/км.

Оптическое волокно может служить датчиком температуры, давления. Поскольку под воздействием внешних факторов волокно деформируется, параметры волокна изменяются, что влечет за собой изменение поглощения световой энергии или фазы светового сигнала. Составляются градуировочные зависимости, по которым и определяются искомые значения температуры или давления. При измерении температуры градуировочные зависимости учитывают влияние давления. При измерении давление также учитывается влияние температуры.

Рис. Волоконнооптический интеферометр

Материал сердечника: Si, кварц, многокомпонентные стекла, полимеры типа оргстекла. Кристаллы обусловливают меньшие потери, стекло и полимеры - меньшую стоимость.

Оптическое волокно широко используется для передачи информации в телефонии, кабельном телевидении, для высокоскоростного обмена информацией между компьютерами и периферийными устройствами, в том числе и датчиками. Оптические линии связи - это обычно многожильные кабели с диаметром волокна 0.03...0.2 мм. Диаметр волокна должен быть больше распространяющейся длины волны.

Для ввода излучения в световод используют линзы. У обычных линз с малым фокусным расстоянием - слишком большие искажения, поэтому применяются градиентные линзы ( с переменным n ) - граданы. За счет использования плавно меняющегося коэффициента n луч распространяется по криволинейной траектории. Граданы также используются для разъемных соединений, разветвлений световых потоков, переключателей.

В волоконнооптическом жгуте при одинаковой укладке волокон на входе и выходе жгута осуществляется поэлементный перенос изображения. Такой гибкий жгут - фиберскоп - удобен для наблюдения в труднодоступных местах и передачи изображения по криволинейному пути. Длина фиберскопа может достигать нескольких метров, а число волокон - миллион на 1 см² поперечного сечения. Периферийные волокна используются для передачи света от внешнего источника. Отраженный световой сигнал передает изображение недоступные для прямой видимости объекты.

Рис. Схема фиберскопа.

Фиберскоп используется для контроля технологических процессов, и работы радиоаппаратуры в труднодоступных местах и опасных помещениях, передачи кодированной информации (скрученный жгут разрезается, часть жгута дает недостоверную информацию, соединенные части - истинную), исследования внутренних органов в медицине.

Волоконнооптический уровнемер состоит из петли волокна, оголенной на сгибе. Как только сгиб погружается в жидкость, имеющую коэффициент преломления не 1, увеличивается затухание мощности излучения от источника света до фотодетектора. Фиксируя момент изменения, определяют уровень жидкости.

Рис. Волоконно-оптический уровнемер.

Волоконно-оптический датчик регистрирует изменение температуры по тепловому расширению стержня из Al.

Источник света

Зеркало

Фотодиод

Алюминий

Рис. Схема рефлектометра - датчика температуры.

Деформер представляет собой 2 гребенчатые пластины, между которыми помещено волокно.

Рис. Траектории лучей, выходящих наружу из-за микроизгибов.

Поскольку под воздействием внешних факторов волокно деформируется, углы распространения изменяются. Это влечет за собой изменение поглощения световой энергии или фазы светового сигнала. Составляются градуировочные зависимости, по которым и определяются давление в зависимости от степени сжатия гребенок деформера. При измерении давление учитывается влияние температуры.

Адсорбирующее покрытие (реагентосодержащая фаза - РСФ) может наносится на оптическое волокно, образуя оптрод При взаимодействии РСФ со средой изменяется коэффициент затухания α оптического излучения между двумя оптродами. Используется для определения О₂ и рН в том числе и человека. В результате химических реакций реагент малого объема разрушается, поэтому сенсоры недолговечны. При использовании дешевых полимеров можно изготавливать тонкие одноразовые датчики (необратимые оптроды). Определяемый компонент - О₂ -диффундирует через селективную мембрану (рис.4) в полость, содержащую флуоресцирующий краситель, и гасит его свечение пропорционально парциальному давлению. Фотодетектор фиксирует изменения.

Для систем распознавания роботов используются матрицы торцов до 100 тыс. световодных волокон, сжатых в пучок в пальцах робота, а также с шаровой линзой, фокусирующей изображение почти кругового обзора (вращающейся по двум осям) или закрепленных на плате, вращающейся по 2-м осям. В сканирующих туннельных микроскопах волокно используется в функции передачи световой энергии для проведения операция (место острия).