Результате поляризации

Работа оптоэлектронных приборов основана на принципах электрооптического и фотоэлектрического преобразований, обусловленных генерацией светового излучения при наличии электрического тока в веществе либо изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения им энергии светового излучения.

1. Фоторезисторы — полупроводниковые приборы, действие которых основано на использовании фоторезистивного эффекта (внутреннего фотоэффекта), т. е. изменения электрического сопротивления полупроводника в результате поглощения излучения.

2. Полупроводниковые фотоэлементы (фотогальванические элементы) — полупроводниковые приборы, действие которых основано на использовании фотогальванического эффекта, т. е. возникновения в результате поглощения излучения фото-э. д. с. между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом, разделенными электрическим переходом. Полупроводниковые фотоэлементы непосредственно преобразуют энергию излучения в электрическую без потребления энергии от источников питания. В зависимости от количества р—п-переходов они разделяются на две основные подгруппы. К первой относятся фотодиоды — приборы с одним р—«-переходом, обратный ток которого зависит от его освещенности. Ко второй — фототранзисторы — трехслойные полупроводниковые приборы с двумя р-п-пере-ходами, обладающие-свойствами усиления фототока при воздействии оптического излучения.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока. Такое явление возникает в результате поглощения полупроводником лучистой энергии и образования при этом дополнительных подвижных носителей заряда, которые образуют дополнительную электропроводность, называемую фото-, проводимостью.

Таким образом, существует много возможных способов регистрации времени дрейфа неравновесных носителей заряда, например: изменение поперечного сечения образца, использование контакта малой площади, создание высокоомной или низкоомной области, а также /5-/г-перехода в образце. Схема измерительной установки, в которой используется один из этих методов, приведена на 3.4. Носители заряда генерируются с помощью освещения образца импульсами света длительностью в несколько микросекунд от импульсной лампы, световой поток которой фокусируется на поверхности образца в виде узкой линии или пятна малого диаметра. Генерация избыточных носителей заряда в результате поглощения квантов света подробно изложена в § 4.1.

В результате поглощения в атмосфере космическое излучение достигает поверхности земли сильно ослабленным, обусловленная им доза облучения составляет на уровне моря около 28 мбэр/год. На больших высотах экранирующий эффект атмосферы снижается и, например, в Мексике (2500 м над уровнем моря) космическое излучение примерно вдвое больше, чем на уровне моря.

Однако в полупроводниковых излучателях с полусферической структурой несколько возрастают потери фотонов в результате поглощения, так как увеличивается длина их пути от места возникновения до поверхности кристалла. Все полупроводниковые излучатели с полусферической структурой имеют внешний квантовый выход на порядок выше, чем у излучателей с плоской конструкцией.

Под действием ионизирующих излучений (ИИ) могут происходить необратимые изменения структуры диэлектрика, которые называют радиолизом. В полимерах радиолиз приводит к структурированию-образованию связей между молекулами, а также к деструкции — разрушению молекул. В результате изменяются физико-химические свойства полимеров (температура плавления кристаллических полимеров, термопластичность, химическая стойкость, растворимость), механические свойства (разрушающее напряжение, модуль упругости, хрупкость); электрические свойства (электрическая прочность, удельное объемное и поверхностное сопротивление). Радиолиз .керамических диэлектриков происходит в результате поглощения значительно больших доз ИИ. В процессе действия ИИ контролируются изменения прежде всего механических свойств диэлектрика. Во многих случаях необратимые изменения механических свойств определяют изменения электрических свойств—электрической прочности и электрического сопротивления диэлектрика.

Принцип действия фотоэлектронных приборов основан на электрических процессах, протекающих в приборах в результате поглощения энергии электромагнитного излучения. При облучении тела поток лучистой энергии частично отражается от его поверхности, а частично поглощается. За счет поглощения квантов лучистого потока энергия электронов в твердом теле изменяется. Электроны, получившие дополнительную энергию, могут покинуть пределы твердого тела (фотоэлектронная эмиссия) или перейти на более высокие энергетические уровни, например из валентной зоны в зону проводимости. В последнем случае увеличивается число подвижных носителей зарядов, а следовательно, и электропроводность тела (фотопроводимость). Образование пар зарядов (электрон — дырка) при поглощении лучистой энергии может изменить также характер процессов вблизи электронно-дырочного перехода: увеличить ток через погенциальнын барьер или же привести к появлению дополнительной разности потенциалов.

При поглощении кристаллом квантов света (фотонов) должны соблюдаться законы сохранения энергии и сохранения импульса. Если фотон характеризуется энергией hv и импульсом рф, а электрон до поглощения — энергией ЕЛ и импульсом рл, то в результате поглощения энергия и импульс электрона должны измениться:

В полупроводниках со сложной зонной структурой, например в кремнии (см. 9-1, в), в результате поглощения квантов света возможен переход свободных частиц из одной долины в другую, что, как известно, может привести к изменению их эффективной массы.

В результате поляризации диэлектрика поляризованные молекулы располагаются вдоль линий напряженности внешнего электрического поля (напряженность ?о) • При этом внутри диэлектрика в любом объеме, не меньшем объема молекулы, сохраняется равенство обоих зарядов того и другого знака, так что диэлектрик остается нейтральным. Однако по поверхностям диэлектрика, прилегающим к металлическим пластинам, распределены частицы, обладающие зарядом одного знака: отрицательным на границе с положительной пластиной и положительным на границе с отрицательной пластиной ( 1 .5, в) . На обеих поверхностях заряд распределен равномерно с одинаковой плотностью а. Таким образом, на границе между металлической пластиной и диэлектриком распределены два вида заряженныхчастиц: свободные частицы металлической пластины с общим зарядом Qo, которые создают внешнее электрическое поле (напряженность ?о), и связанные частицы ди-

Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявившихся в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, которые прилегают к обкладкам, равна ст. Поскольку, как видно из 4. 1 , в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема диэлектрика равен произведению заряда у каждой обкладки, равного aS, на расстояние между обкладками h. Деление этой величины на объем диэлектрика Sh дает модуль поляризованности Р=а. Таким образом, поляризованность равна поверхностной плотности связанных зарядов в диэлектрике.

Если, например, два медных электрода поместить в 0,5 н. раствор CuSO4, то каждый из электродов получит относительно раствора электродный потенциал е0 = + 0,31 В, а разность потенциалов Ш между электродами будет равна нулю. Если теперь электроды подключить к источнику напряжения и постепенно увеличивать ток, то в результате поляризации потенциал анода будет несколько увеличиваться, а потенциал катода падать ( 14.3). Плавный характер изменения электродных потенциалов при малых плотностях тока объясняется явлением диффузии, в результате которой имеет место частичное выравнивание концентраций. Однако, поскольку скорость диффузии раствора ограничена, то при определенных плотностях тока будут использованы все ионы, приносимые к катоду диффузией, и дальнейший рост тока прекратится. Ток начнет возрастать, когда катодный потенциал достигнет значения — 0,82 В, так как в этом случае помимо электролиза CuSO4 начнется электролиз воды и в переносе зарядов на катод примут участие ионы водорода.

Учитывая, что в результате поляризации появляется связанный заряд д', мы должны рассматривать поле как существующее в пустоте, но созданное не только свободным зарядом q тела, но и связанным зарядом д'. Соответственно можно написать теорему Гаусса в форме

Заряды у поверхности диэлектрика, появившиеся в результате поляризации, называются связанными, так как электроны, будучи связаны внутриатомными силами, не могут свободно перемещаться в объеме диэлектрика под действием электрического поля, а только смещаются. Такие заряды существенно отличаются от так называемых свободных зарядов наэлектризованных проводников и диэлектриков, получающихся в результате удаления из данного тела части электронов или сообщения ему излишних электронов.

При однородной поляризации р' = 0. Если Р + 0, то в результате поляризации в любом объеме имеется наведенный объемный заряд, равный

В результате поляризации первой среды у поверхности раздела между диэлектриком и вакуумом появится положительный связанный заряд с поверхностной плотностью aj, а по второй среде — отрицательный заряд с плотностью о,-

Поляризованность является векторной величиной. На 5.10,б для конденсатора с диэлектриком схематически изображены частицы диэлектрика, в каждой из которых в результате поляризации, образовался электрический момент т. Тогда, по определению, Р-

Электрический момент, который возник в результате поляризации частицы, равен m = ссЕ, где а — поляризуемость частицы, _Ф-_мг,...Это .микроскопическая характеристика поляризации. Поляризуемость а связана с диэлектрической проницаемостью ъ"г, которая выражается уравнением Клаузиуса — Мосотти:

Под поляризацией понимают упорядоченное изменение расположения связанных зарядов в теле, вызванное электрическим полем. Это изменение расположения проявляется в том, что отрицательные связанные заряды в теле переместятся в направлении более высокого потенциала, а положительные--в сторону более низкого потенциала. Заряды сместятся настолько, что силы воздействия электрического поля на связанные заряды уравновесятся внутримолекулярными силами, В результате поляризации на поверхности вещества как бы обнажаются связанные заряды.

Напряженность поля, создаваемая как свободными, так и связанными зарядами, появившимися в результате поляризации диэлектрика, в каждом из диэлектриков окажется различной: