Внутрішній та зовнішній фотоефект
Внутрішній фотоефект
Потік фотонів не можна розглядати як безперервний потік. Він єпотік окремих порцій енергії – квантів.
При опроміненні напівпровідника таким потоком фотони віддають свою енергію валентним електронам, звільняючи їхню відмінність від ковалентних зв'язків. Якщо ця енергія перевищує ширину забороненої зони, то електрони зможуть перейти з ВЗ ЗП, тобто. виникнефотогенерація (її ще називаютьвнутрішнімфотоефектом ).
Фотогенерація - це процес утворення пар електрон + дірка в напівпровіднику при його електромагнітному опроміненні.
Виниклі внаслідок фотогенерації НЗ збільшують провідність напівпровідника. Провідність, викликана дією фотонів, називаєтьсяфотопровідністю.
Розглянемо свій напівпровідник:
Whv
Ө ni Ө nф
Wп
генерація фотогенераціяW
Wв
Өpi Ө pф
∆W – ширина забороненої зони;
pi, ni – концентрація дірок та електронів, утворених у процесі генерації;
pф, nф – концентрація дірок та електронів, утворених у процесі фотогенерації.
У металів явище фотопровідності відсутнє, т.к. вони величезна концентрація вільних електронів (N 10 22 1/см 3 ) і може помітно зрости під впливом опромінення.
Зовнішній фотоефект
Зовнішній фотоефект - це поява фото-ЕРС в p-n переході при його електромагнітному опроміненні.
pn
ОНЗ Ө ОНЗ
+ -
+ ННЗ Ө -
+ ЕВН ННЗ -
+ –
Потік падаючих p-n перехід фотонів викликає фотогенерацію пар носіїв заряду, тобто. виникаєвнутрішній фотоефект.Носії заряду, що утворилися при цьому, під дією внутрішнього поля ЕВН починають переміщатися: дірки рухаються в напрямку поля, а електрони - проти. В результаті цього переміщення в p-області накопичуються позитивні заряди, а в n-області негативні. Виникає різниця потенціалів. Якщо до такого переходу підключити мікровольтметр, то прилад покаже якусь напругу, яка є фото-ЕРС.
Фото-ЕРС - це різниця потенціалів, що виникає в результаті поділу внутрішнім полем переходу носіїв заряду, що утворилися за рахунок електромагнітного опромінення переходу.
П'єзоефект
П'єзоелектричний ефект було відкрито братами Кюрі 1880г. П'єзоефект буває прямий та зворотний.
Прямий п'єзоефект - це процес утворення рівних, але протилежних за знаком електричних зарядів на протилежних гранях деяких кристалічних тіл, званих п'єзоелектриками, при тиску на ці тіла.
Якщо змінити напрямок деформації, тобто. не стискати, а розтягувати п'єзоелектрик, то заряди на гранях змінять знак на зворотний. До п'єзоелектриків належать кварц, сегнетова сіль, титанат барію і т.д.
Зворотний п'єзоефект - це процес стиснення або розширення п'єзоелектрика під дією електричного поля залежно від напрямку вектора напруженості поля.
Для практичних цілей застосовують п'єзоелектрики різної форми: прямокутні або круглі пластинки, циліндри, кільця. П'єзоелемент поміщають між металевими обкладками або металеві плівки наносять на протилежні грані п'єзоелемента. Таким чином виходить конденсатор з діелектриком із п'єзоелектрика.
Якщо до такого п'єзоелементу підвести змінну напругу, то п'єзоелемент за рахунок зворотного п'єзоефектустискатиметься і розширюватися, тобто. здійснювати механічні коливання. У цьому випадку енергія електричних коливань перетворюється на енергію механічних коливань із частотою, що дорівнює частоті прикладеної змінної напруги. Так як п'єзоелемент має власну частоту механічних коливань, то можливе явище резонансу, коли частота прикладеної напруги збігається з власною частотою коливань пластинки. При цьому виходить максимальна амплітуда коливань платівки п'єзоелемента.
Якщо на п'єзоелемент впливати механічно з деякою частотою, виникає змінна напруга тієї ж частоти. У цьому випадку механічна енергія перетворюється на електричну, і п'єзоелемент стає генератором змінної ЕРС. Таким чином, можна сказати, що п'єзоелемент є коливальною системою з електромеханічними коливаннями.
На основі п'єзоефекту працює кварцовий резонатор, що містить кварцовий елемент, електроди та кварцетримачі, поміщені в металевий герметичний або скляний балон.
Еквівалентна схема кварцового резонатора:
L, З, R – параметри кварцового елемента. Індуктивність L відбиває інерційні властивості кварцової пластики, С – характеризує її пружні властивості та активний опір, R – опір втрат. Cо – паразитна міжелектродна ємність.
Як видно з еквівалентної схеми, кварцовий резонатор має два резонанси: послідовний (частота якого залежить від параметрів резонатора L та С) та паралельний (частота якого залежить від паразитної міжелектродної ємності З). Частота послідовного резонансу є стабільнішою, ніж частота паралельного резонансу. На практиці використовують обидва види резонансу.
Кварцові резонатори успішно працюють у смузі частот від 70 Гцдо десятків МГц. На їх основі працюють кварцові генератори, що забезпечують високу точність і стабільність частоти.