 |
|
Законы внешнего фотоэффекта
Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Фотоэффект внешний и внутренний.
Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
Законы фотоэффекта:
О токе насыщения. При пост.освещении, фототок принимает постоянное значение
Ток насыщения пропорционален освещенности. Каждой яркости на объекте соотв свой ток насыщения
Скорость вылетающих фотонов не зависит от освещенности, а опред длиной волны
Закономерности фотоэффекта:
Наступает скорее при коротковолновом излучении
Чем больше освещенность на тебе, тем сильнее будет фототок
При ф.э освобождаются электроны-носители зарядом
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
Законы внешнего фотоэффекта
Закон Столетова: при неизменном спектральном составе
электромагнитных излучений, падающих на фотокатод,
фототок насыщения пропорционален энергетической
освещенности катода
Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не
зависит от интенсивности падающего света, а определяется
только его частотой.
Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта,
то есть минимальная частота ν0 света (зависящая от химической
природы вещества и состояния поверхности), ниже
которой фотоэффект невозможен.
Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости.
Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.
2. Полупроводники. Проводимость собственная и примесная. Донорные и акцепторные примеси. Фотоэффект в полупроводниках. Схема фотодиодного сенсора матрицы.
Полупроводники присутствуют в любых фоточувствительных матрицах.
По свойствам электропроводимости все твёрдые тела делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики.
К металлам относятся твёрдые тела с металлическим типом химической связи, у которых есть свободные коллективизированные электроны, которые и обусловливают их проводимость.
К неметаллическим твёрдым телам относятся вещества с ионной и ковалентной связью (полупроводники и диэлектрики). Диэлектрики не имеют ни свободных электронов, ни других носителей заряда и ток не проводят.
В полупроводниках при нулевой температуре (нуль - абсолютный, естественно) электроны жестко закреплены на ковалентных связях. Для освобождения электрона, участвующего в проводимости, ему надо сообщить дополнительную энергию, например, тепловую или световую. В проводимости полупроводников участвуют также дырки, которые имеют положительный заряд, равный по модулю электронному. Дырочная проводимость связана с перемещением электронов на освободившееся при выбивании электрона место. Такое движение удобно описывать как движение положительного заряженной частицы в направлении, обратном электронным перескокам.
Проводимость полупроводников, однородных по своему химическому составу, называют собственной.
Примесная проводимость возникает при существовании в кристалле примесных атомов, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Донорные примеси имеют большую валентность, чем основные атомы, и легко образуют дырки. Соответственно типы проводимости называются n-проводимостью (электронной) - при донорных примесях, и p-проводимостью (дырочной) - при акцепторных примесях.
В полупроводниковом диоде, к коим относится рассматриваемый нами фотодиод, p-n-переход образуется, когда в полупроводнике соседствуют области, одна из которых содержит акцепторные примеси (p-область), а другая - донорные (n-область). Это достигается путем внедрения примесей в кристаллическую решётку разных областей кристалла примесей разных типов.
Благодаря диффузии электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n-область, а дырок из p-области в n-область, на границе возникает потенциальный барьер электростатической природы, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов.
В случае приложения прямого напряжения в сторону n-области к p-области напряжение компенсирует влияние потенциального барьера, и проводимость возрастает. При приложении обратного напряжения от p-области в n-область потенциального барьера только увеличивается, и ток, текущий через p-n-переход, обусловлен неосновными носителями (электронами в p-области и дырками в n-области) и поэтому мал, если переход не освещён или не нагрет. То есть p-n-переход пропускает ток лишь в одном направлении.
В случае фотодиода, под действием электромагнитного излучения, каковым является в частности световое излучение, в цепи фотодиода меняется ток в зависимости от интенсивности излучения.
Схема фотодиодного сенсора матрицы - http://vkontakte.ru/photo8391492_211833879
Возникшие под действием излучения неосновные носители заряда диффундируют через p-n-переход и ослабляют электрическое поле потенциального барьера.
Фототок в фотодиодах в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения, что даёт возможность использовать фотодиоды для записи изображения.
3. Принципиальное устройство МОП-конденсатора. Фотоэффект в МОП-конденсаторе.
МОП - металл-оксид-полупроводник
Принцип работы МОП-конденсатора.Конструкция отдельного МОП-конденсатора у каждого производителя своя, но заложенный в неё принцип - одинаков. Свет (фотоны), попадая через изолятор на кремниевый канал n-типа, выбивает оттуда электроны, которые собираются в зоне потенциальной ямы - "карман n-типа" (потенциальная яма - зона с пониженной потенциальной энергией). Затем накопленные заряды считываются, то есть преобразуются в серию электрических импульсов. Чем больше была овещенность конденсатора, тем больше электронов будет собрано в потенцильной яме и тем больший заряд будет в ней накоплен.
Принципиальное устройство МОП-конденсатора. На полупроводниковой подложке (например, p-типа продимости; может быть и полупроводник с n-проводимостью) формируется тонкий 0,1-0,15 мкм слой диэлектрика (обычно оксид), на который наносится проводящие электроды (из металла или сильно легированного поликристаллического кремния).
Для придания зарядам движения вдоль регистра с обеих сторон канала переноса создают стоп-каналы - области, легированные более сильно, чем кремний в самом канале переноса. Потенциальная яма в стоп-канале не возникает, и пакет зарядов не расплывается.
Сразу после приложения напряженя основные носители (в нашем случае дырки) очень быстро (за единицы пикосекунд) уходит от поверхности, образуется приповерхностный обеднённый носителями заряда слой и потенциальную яму у поверхности электрода. ПЗС функционирует, используя нестационарное состояние МОП-структуры. Так как скорость термогенерации носителей заряда мала, потенциальную яму МОП-структуры можно использовать для накопления и временного хранения сигнальных зарядовых пакетов, хранящих информацию.
Вследствие процессов термогенерации к хранящемуся в потенциальной яме сигнальному (информационному) заряду добавляется паразитный термогенерируемый заряд. Этот заряд в основном обусловлен термогенерацией электронно-дырочных пар на поверхности в обеднённом слое и, в значительно меньшей степени, диффузией неосновных носителй заряда из нейтральных областей, примыкающих к обеднённому слою. Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает информационный. Максимальное время накопления и хранения зарядов определяется свойствами полупроводника, допустимой степени ошибки измерения, но самое главное - температурой ПЗС. Поэтому ПЗС высокого качества охлаждаются чаще всего с помощью встроенных полупроводниковых холодильников.
Если ПЗС осветить, то, поглащаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обеднённом слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Зарядовый пакет, накапливаемый в каждом элементе пропорционален усреднённому по площади светочувствительного элемента потоку фотонов, времени накопления и квантовой эффективности, которая, учитывая отражение и поглощение света, составляет 0,2-0,4.
МОП-конденсаторы имеют определённую область спектральной чувствительности, то есть область длин волн, в которой осуществляется эффективное преобразование светового потока в зарядовые пакеты. Длинноволновая её граница для кремния составляет 1,1 мкм (1100 нм). Коротковолновая - 0,4-0,5 мкм (400-500 нм.)
Ортогональная структура ПЗС матрицы содержит, как правило, от ~10 в 5той (256х512) до ~10 в 6той (1024х2048) ячеек (пикселов). Размер каждой ячейки в различных ПЗС матрицах колеблется в от 5 до 15 мкм, а расстояние между ними составляет 0,1-1,0 мки. Таким образом, общий размер матрицы обычно не превышает 1 см (диагональ).
Каждая ячейка (пиксель) состоит из нескольких МОП структур, служащих для детектирования (накопления заряда за счёт фотоэффекта), хранения накопленного заряда и его дальнейшей транспортировки.
3. Характеристики сенсоров фоточувствительной матрицы.
Для сенсоров любого типа критической характеристикой является линейная зависимость фототока или заряда конденсатора от интенсивности падающего излучения, потому что только линейность этой зависимости позволяет проводить дальнейшую обработку изображения.
Помимо линейности зависимости фототока от интенсивности падающего излучения сенсоры имеют следующие характеристики:
— Квантовый выход или квантовая эффективность - чувствительность сенсора, желательно - высокая. Квантовая эффективность с учётом отражения и поглощения света составляет 0,2-0,4 у МОП-конденсатов.
— Динамический диапазон - это тот диапазон фототока, в пределах которого сохраняется линейная зависимость фототока или заряда конденсаторов от интенсивности падающего излучения.
— Пороговая чувствительность - значение минимального сигнала, регистрируемого сенсором.
— Уровень шумов. Ток или заряд, которые возникают в сенсоре без воздействия света. Темновой ток - в случае фотодиода. Паразитный термогенерируемый заряд, обусловленный термогенерацией электронно-дырочных пар на поверхности в обеднённом слое и диффузией неосновных носителей в МОП-конденсаторе.
— Инерционность - время установления фототока или заряда конденсатора, обычно 10 в -7 степени - 10 в -8 степени секунды и до 10 в -10 сек.
— Пространственная модуляция - неоднородность чувствительности внутри и между пикселами. Должна быть сведена к минимуму.
— Спектральнаый диапазон (область спектральной чувствительности) - спектральная область, в которой сенсор обладает чувствительностью и может регистрировать излучение.
— Время жизни сенсора - период эксплуатации, во время которого характеристики сенсора должны оставаться стабильными.
— Спектральная чувствительность - отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны (лазер, ртутная или инаяз разрядная лампа). Это характеристика фотодиода, т.к. он спектрально селективен в отличие от МОП-конденсатора.