Внутренний и внешний фотоэффект

Внутренний фотоэффект

Поток фотонов нельзя рассматривать как непрерывный поток. Он представляет собой поток отдельных порций энергии – квантов.

При облучении полупроводника таким потоком фотоны отдают свою энергию валентным электронам, освобождая их от ковалентных связей. Если эта энергия превышает ширину запрещенной зоны, то электроны смогут перейти из ВЗ в ЗП, т.е. возникнет фотогенерация (ее еще называют внутреннимфотоэффектом).

Фотогенерация – это процесс образования пар электрон + дырка в полупроводнике при его электромагнитном облучении.

Возникшие в результате фотогенерации НЗ увеличивают проводимость полупроводника. Проводимость, вызванная действием фотонов, называется фотопроводимостью.

Рассмотрим собственный полупроводник:

W hv

Ө n_i Ө n_ф

Wп

генерация фотогенерация W

Wв

Өp_i Ө p_ф

∆W – ширина запрещенной зоны;

p_i, n_i – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе генерации;

p_ф, n_ф – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе фотогенерации.

У металлов явление фотопроводимости отсутствует, т.к. у них огромна концентрация свободных электронов (N 10²² 1/см³) и не может заметно возрасти под действием облучения.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект – это появление фото-ЭДС в p-n переходе при его электромагнитном облучении.

p n

ОНЗ Ө ОНЗ

+ -

+ ННЗ Ө -

+ Е_ВН ННЗ -

PV

+ –

Поток падающих на p-n переход фотонов вызывает фотогенерацию пар носителей заряда, т.е. возникает внутренний фотоэффект. Образовавшиеся при этом носители заряда под действием внутреннего поля Е_ВН начинают перемещаться: дырки двигаются по направлению поля, а электроны – против. В результате этого перемещения в p-области скапливаются положительные заряды, а в n-области – отрицательные. Возникает разность потенциалов. Если к такому переходу подключить микровольтметр, то прибор покажет какое-то напряжение, которое и является фото-ЭДС.

Фото-ЭДС – это разность потенциалов, возникающая в результате разделения внутренним полем перехода носителей заряда, образовавшихся за счет электромагнитного облучения перехода.

Пьезоэффект

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880г. Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика.

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает собственной частотой механических колебаний, то возможно явление резонанса, когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки. При этом получается максимальная амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента.

Если на пьезоэлемент воздействовать механически с некоторой частотой, то возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую, и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Таким образом, можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой с электромеханическими колебаниями.

На основе пьезоэффекта работает кварцевый резонатор, содержащий кварцевый элемент, электроды и кварцедержатели, помещенные в герметичный металлический или стеклянный баллон.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора:

L, С, R – параметры кварцевого элемента. Индуктивность L отражает инерционные свойства кварцевой пластики, С – характеризует ее упругие свойства и активное сопротивление, R – сопротивление потерь. C_о – паразитная межэлектродная емкость.

Как видно из эквивалентной схемы, кварцевый резонатор имеет два резонанса: последовательный (частота которого зависит от параметров резонатора L и С) и параллельный (частота которого зависит от паразитной межэлектродной емкости С_о). Частота последовательного резонанса является более стабильной, чем частота параллельного резонанса. На практике используют оба вида резонанса.

Кварцевые резонаторы успешно работают в полосе частот от 70 Гц до десятков МГц. На их основе работают кварцевые генераторы, обеспечивающие высокую точность и стабильность частоты.