Собственном поглощении

f На 10-14 показано семейство-кривых собственного затухания а фильтра типа т (при разных значе-

На 10-30,s показана частотная характеристика собственного затухания такого фильтра. Ввиду малой крутизны кривой затухания однозвенного гС-фильтра применяют двух- или трехзвенный фильтр, однако при этом увеличивается затухание и в полосе пропускания.

При низких частотах, когда емкостное сопротивление велико, напряжение на выходе фильтра мало, т. е. получается большое затухание (при постоянном токе — бесконечно большое). С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается •и (напряжение на выходе возрастает, т е. затухание убывает. Частотная харгктери-стика собственного затухания такого фильтра показана на 10-31, а.

Ha 10-14 показано семейство кривых собственного затухания а фильтра типа т (при разных значениях т)

При низких частотах, когда емкостное сопротивление велико, напряжение на выходе фильтра мало, т. е. получается большое затухание (при постоянном токе — бесконечно большое). С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается и напряжение на выходе возрастает, т. е. затухание убывает. Частотная характеристика собственного затухания такого фильтра показана на 10-31, в.

Равенство (17.98) является общей формулой для рабочего затухания. Если четырехполюсник полностью согласован (Z2 = ZC2, Zj = Zn), то три члена правой части равенства (17.98) равны нулю, и рабочее затухание равно собственному (характеристическому) затуханию четырехполюсника. Второй член правой части обязан своим существованием рассогласованности на входе, третий — тому, что нет согласования на выходе, и четвертый появляется лишь тогда, когда не согласованы и вход, и выход, т. е. когда оба коэффициента отражения не равны нулю. Надо отметить, что последний член правой части (17.98) обычно мал и практически им часто можно пренебречь. Итак, для пассивного четырехполюсника ра-бочее затухание, как правило, больше собственного затухания вследствие рассогласования на входе и выходе. Но иногда рабочее затухание в определенной полосе частот может быть меньше соб' ственного. Это происходит благодаря резонансным явлениям.

стическое сопротивление звена фильтра не зависело от частоты и равнялось бы номинальному характеристическому сопротивлению /?„. Тогда при равенстве RH = Rn было бы оправдано введение характеристических параметров, в частности собственного затухания ас и формулы (17.51), так как при согласовании четырехполюсника с нагрузкой рабочее затухание совпадает с характеристическим. В действительности же согласно уравнению (17.53) характеристическое сопротивление Т-образного четырехполюсника

и изменяется от —я при / = f1 (как для фильтра верхних частот) до нуля при / = /о и далее до я при / — /2 (как для фильтра нижних частот.) Зависимость собственного затухания и фазовой постоянной от частоты показана на 18.13.

Граничные частоты f1 и /2 такие же, как и для полосового фильтра с заменой Lv на L2 и наоборот. Полосы пропускания — от нуля до Д и от /2 до бесконечности. Между fi и /2 находится полоса задерживания, что характеризует заграждающий фильтр, не пропускающий колебания этой полосы частот. Зависимости собственного затухания и фазовой постоянной заграждающего фильтра от частоты показаны на 18.16, Фильтры типа К, рассмотренные выше, являются наиболее простыми, но они имеют существенные недостатки. Первым недостатком, как уже указывалось, является

резкое изменение характеристического сопротивления в рабочей полосе частот, что не дает возможности подобрать надлежащее нагрузочное сопротивление. Второй недостаток — слишком медленный рост собственного затухания фильтра на частотах полосы задерживания, близких к граничным частотам, а они обычно имеют наибольшее значение при работе фильтра. Поэтому приходится часто применять более сложные звенья фильтра, чтобы в значительной мере избавиться от этих недостатков. Эти звенья могут быть получены как производные от звеньев типа К и называются звеньями типа т.

имеет место резонанс напряжений. Сопротивление этой ветви при резонансе становится равным нулю, и напряжение на выходе фильтра также равно нулю. Поэтому собственное затухание фильтра на этой частоте равно бесконечности. Частота Д» называется частотой всплеска затухания (пли полюса затухания). Зависимость собственного затухания фильтра от частоты имеет вид, изображенный на

При собственном поглощении фотонов переход электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника может происходить без изменения квазиимпульса или волнового вектора электрона, т. е. возможны прямые переходы ( 1.16). Может происходить также переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости и с изменением волнового вектора — непрямые переходы ( 1.17). При непрямых переходах в процессе поглощения кроме фотона и электрона должна участвовать еще третья квазичастица, которая заберет часть квазиимпульса на себя, т. е. обеспечит выпольение закона сохранения импульса. Таким образом, непрямые переходы -- это переходы с участием третьей квазичастицы. Третьей квазичастицей обычно является фонон -- квант тепловой энергии кристаллической решетки полупроводника.

где R — коэффициент отражения фотонов от полупроводника; а — показатель поглощения; г — квантовая эффективность генерации, т. е. число возникающих пар носителей при собственном поглощении (или число носителей при примесном поглощении), отнесенное к числу поглощенных фотонов; Л/ф — число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени (оно может быть определено как мощность падающего на единичную поверхность излучения, отнесенное к энергии фотона /iv); т„ — время жизни неравновесных носителей заряда.

При собственном поглощении фотонов переход элект-

При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Этот процесс генерации свободных носителей обратен межзонной рекомбинации (см. § 1.6). Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны, т. е. ?ф = /1У^Д?'з. На частотах излучения v
С уменьшением длины волны излучения в области А,гр вначале могут наблюдаться непрямые переходы, при которых требуется меньшая энергия фотона для ионизации атома (участок 2 на 7.2), а затем с ростом энергии фотона будут только прямые переходы (участок /), так как вероятность непрямых переходов уже мала. На участке / спектра поглощения значения аф~105Ч-Ю8 см~'. Граница собственного поглощения Xrp=c/vrp большинства полупроводников приходится на видимую или инфракрасную часть оптического диапазона. На величину Кгр кроме типа полупроводника влияют температура, внешние поля, степень легирования и др. С увеличением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается и Хгр сдвигается в сторону больших длин волн. С повышением концентрации примесей в полупроводниках энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны или дна зоны проводимости заполняются. Поэтому при собственном поглощении, когда энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны, Лгр соответственно сдвигается в область меньших длин волн. В электрическом поле красная граница Хгр смещается в длинноволновую область (эффект Келдыша — Франца), в магнитном поле — в коротковолновую (расщепление Ландау).

При собственном поглощении уменьшение длины волны излучения начиная с красной границы фотоэффекта Ягр (см. 7.2) приводит к резкому увеличению фотопроводимости, значение которой проходит через максимум, а затем падает. Причиной этого уменьшения фотопроводимости является изменение области генерации свободных носителей в полупроводнике. С укорочением длины волны область генерации носителей перемещается в быстро сужающийся поверхностный слой полупроводника, где поглощается основная часть энергии излучения (аф возрастает). Из-за поверхностных явлений в полупроводнике увеличивается скорость рекомбинации неравновесных носителей и уменьшается время их жизни (см. § 1.8), поэтому поверхностный слой не может внести заметного вклада в общую проводимость толстого полупроводника. При собственном поглощении происходит генерация пар носителей,

поэтому концентрации избыточных носителей равны, т. е. Др = Дя. Фотопроводимость полупроводника при собственном поглощении называется биполярной (собственной). В широкозонных беспримесных полупроводниках концентрация избыточных носителей превышает собственную, т. е. Дп>л0, Др>ро, в узкозонных из-за термогенерации Дп< <п0, Др<ро-

Рассмотрим идеализированный p-rt-переход, облучаемый монохроматическим световым потоком с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводников. При собственном поглощении в переходе и прилегающих к нему областях оптически генерируются избыточные носители — электроны и дырки. Электрическое поле перехода перемещает дырки в р-область, электроны— в n-область, разделяя тем самым генерируемые носители. Процессу разделения подвергаются носители, генерируемые в обедненной области перехода и прилегающих к ней

Собственное поглощение. При собственном поглощении энергия света, попадающего в полупроводник, расходуется на возбуждение электронов из йалентной, зоны в зону проводимости ( 12.2). В соответствии с законом Сохранения энергии такое поглощение может происходить лишь в том случае, если энергия световых квантов h
12.3. Прямые (а) и непрямые (б) переходы при собственном поглощении

На 12.7 показаны устройство фоторезистора и схема его-включения. Чувствительный элемент фоторезистора представляет собой брусок или пленку монокристаллического или поликристаллического полупроводника с двумя омическими контактами. Он подключается к источнику смещения V0 через нагрузочное сопротивление /?н. Толщина чувствительного элемента должна быть достаточно большой, чтобы в нем поглощался практически весь свет W0 (1 — г), прошедший через освещенную поверхность (W0 — мощность падающего света; г — коэффициент отражения поверхности).. Это требование легко выполнить для собственных фоторезисторов. и часто трудно выполнить для примесных. Если оно выполнено, то< число носителей (или пар носителей при собственном поглощении),. генерируемых светом в единицу времени в чувствительном элементе при К < Яшах, будет равно

Спектральная зависимость фотопроводимости соответствует зависимости а и т] от энергии квантов. Фотопроводимость возникает при возбуждении только таким излучением, когда энергия фотонов превышает некоторое пороговое значение. При собственном поглощении пороговая энергия определяется шириной запрещенной зоны, а при примесном — энергией активации соответствующего уровня примесного центра. На 2.6 показана спектральная зависимость фотопроводимости.