Właściwości optyczne Właściwości dielektryczne, elektryczne i optyczne Właściwości dielektryczne, elektryczne i optyczne są od siebie wzajemnie zależne. ż Wszystkie zapisuje się jako wielkości lkś i zespolone. Fala elektromagnetyczna rozchodząca się w kierunku z: E( z, t) = E B( z, t) = B Częstotliwości optyczne: 0x 0y e e i ( ωt kz ) i ( ωt kz ) http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/em.htm 1
Przewodnictwo w zmiennym polu elektrycznym 2 Siły działające na elektron: d x t m dx m = qe iω e 2 0 dt τ dt Ruch elektronu odbywa się z taką samą częstotliwością jak częstotliwość pola elektrycznego iωt x = x e 0 Przewodnictwo elektryczne: j = σ E, j = nqv v = x iωe 0 iωt Przewodnictwo w zmiennym polu elektrycznym 2 iωt iωt m iωt Po podstawieniu: mx 0ω e = qe0e iωx 0e τ qe0 x 0 = I wyznaczeniu x 0 : 2 iω m ω τ Przewodnictwo elektryczne: qe0 σe0 = nqv 0 = nqiωx 0 = nqiω 2 iω m ω τ 2 nq τ σ (0) σ = = m 1+ iωτ 1+ i ( ) ωτ 2
Przewodnictwo w zmiennym polu elektrycznym i właściwości dielektryczne Moment dipolowy: m = qx Wektor polaryzacji: N P = m = nqx V Gęstość prądu: dp de σe = = ε 0 ( ε 1) dt dt σ = ε ( ε dx j = nqv = nq = dt 0 1) iω dp dt σ E = ε ( ε 1) iωe 0 Właściwości dielektryczne i elektryczne σ i ε opisują całkowicie różne procesy fizyczne tylko w przypadku statycznym: σ - opisuje ładunki swobodne ε - ładunki związane W polu zmiennym, im wyższa częstotliwość, tym różnice pomiędzy zachowaniem ładunków swobodnych i związanych maleje. Właściwości optyczne to właściwości dielektryczne (?) / elektryczne (?) w polu elektrycznym o częstotliwościach optycznych. 3
Właściwości dielektryczne, elektryczne i optyczne c n = v 1 v = i c = ε εµ µ 0 0 1 ε µ Wynika stąd, że n = (µε) czyli zależy od właściwości dielektrycznych. W większości materiałów n ε. 0 0 Właściwości optyczne 1. Przewodnictwo w zmiennych polach elektrycznych. y 2. Właściwości optyczne (dla materiałów niemagnetycznych): współczynnik załamania, współczynnik absorpcji, współczynnik odbicia. σ (0) σ ( ω) = 1+ iωτ σ = σ ' + iσ '' n = n' + in'' = 2 ε' + n' = 2 ε' + n'' = 2 2 ( ε' + ε'' ) 2 ε 2n'' ω α = c 2 1 n R = = 1+ n 2 2 ( ε' + ε'' ) 2 1/ 2 1/ 2 2 2 ( n' 1) + n'' 2 2 ( n' + 1) + n'' 4
Właściwości optyczne Jak widać, współczynnik załamania ł światła i zależy ż od ε, a wiemy z poprzednich zajęć, że istnieją takie mechanizmy polaryzacji, w których ε jest w pewnych przedziałach częstotliwości ujemny. Gdy współczynnik załamania światła jest urojony (ε - ujemne) światło nie może rozchodzić się w materiale. n = ε Właściwości optyczne Zjawiska, które mogą zachodzić w materiale: Załamanie; Absorpcja i luminescencja (absorpcji może towarzyszyć świecenie); Rozpraszanie; Gdy intensywność światła jest duża mogą również zachodzić zjawiska nieliniowe. 5
ABSORPCJA ŚWIATŁA Rys.: http://chemwiki.ucdavis.edu/physical_chemistry/spectroscopy/electronic_spectroscopy /Electronic_Spectroscopy%3A_Application Ogólny opis absorpcji Natężenie przechodzącego światła maleje esponencjalnie z odległością I=I 0 exp( αz) Gdzie α jest współczynnikiem absorpcji. 6
Light intensity Distance 1/α light-penetration depth Światło jest absorbowane w warstwie o grubości 1/α Ogólny opis absorpcji Współczynnik absorpcji zależy od rodzaju materiału i jego innych właściwości (np. od mikrostruktury), od długości fali, temperatury itp. 7
Ogólny opis absorpcji Współczynnik absorpcji i inne właściwości optyczne materiałów krystalicznych są najczęściej zależne od kierunku (kryształy dwójłomne). Mechanizmy absorpcji światła W izolowanym atomie (gaz) foton może zostać pochłonięty przez elektron: przejście między stanami energetycznymi w atomie, 8
Mechanizmy absorpcji światła W molekułach foton może zostać pochłonięty przez wzbudzenie stanów wibracyjnych i rotacyjnych Mechanizmy absorpcji światła w ciałach stałych Foton może zostać pochłonięty przez elektron: przejście między dyskretnymi stanami energetycznymi (wewnętrzne poziomy, poziomy energetyczne domieszek); przejście między pasmami energetycznymi w ciele stałym, przejście między dyskretnym stanem energetycznym a pasmem energetycznym; absorpcja przez elektron quasiswobodny w metalu, 9
Mechanizmy absorpcji światła w ciałach stałych Foton może zostać pochłonięty przez atom jako całość: wzbudzenie drgań atomów (fonony)- odpowiednik wzbudzenia drgań i rotacji wiązań w ciałach molekularnych, jakikolwiek ruch atomu lub cząsteczki. Mechanizmy absorpcji światła w ciele stałym (inaczej) Absorpcja międzypasmowa (przejścia proste i skośne); Absorpcja ekscytonowa; Absorpcja na domieszkach i innych defektach punktowych; Absorpcja przez elektrony quasiswobodne; Absorpcja fononowa; 10
Absorpcja międzypasmowa Foton wzbudza elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa; Absorpcja międzypasmowa w paśmie walencyjnym pojawia się dziura a w paśmie przewodnictwa quasiswobodny elektron; musi być spełniona zasada zachowania pędu i energii: pęd fotonu w porównaniu z pędem elektronu jest prawie równy zeru: przejścia są pionowe; energia fotonu musi wystarczyć na pokonanie przerwy energetycznej (próg absorpcji: szerokość przerwy energetycznej); 11
Absorpcja międzypasmowa W zależności od struktury pasmowej przejścia międzypasmowe mogą być proste i skośne; Absorpcja międzypasmowa: prosta przerwa energetyczna E E c p E k k p p = E p + E foton E V E g Direct band-gap SCs k Stan końcowy początkowy foton 12
Absorpcja międzypasmowa: prosta przerwa energetyczna W pobliżu krawędzi absorpcji, dla hν E g; współczynnik absorpcji bardzo szybko rośnie: α jest proporcjonalne do α jest rzędu 10 4-10 5 cm -1 1/ 2 ( hω Eg ) lub ( hω Eg ) 3 / 2 Absorpcja międzypasmowa: prosta przerwa energetyczna 13
Absorpcja międzypasmowa: skośna przerwa energetyczna elektron z pasma walencyjnego absorbuje foton i przechodzi do pasma przewodnictwa. Jednocześnie albo pochłania, albo generuje fonon. fonon musi być pochłonięty albo wyemitowany ze względu na konieczność spełnienia zasady zachowania pędu; ze względu na uczestnictwo i fotonu i fononu taki proces ma mniejsze prawdopodobieństwo; Absorpcja międzypasmowa: skośna przerwa energetyczna E Virtual states Phonon emission Phonon absorption E g Indirect band-gap SCs k p E k k = p p = E p m p m E fonon fonon + E foton Stan końcowy początkowy fonon 14
Absorpcja międzypasmowa: skośna przerwa energetyczna Słabsza absorpcja hν E g; α jest proporcjonalne do 2 3 ( hω E lub( hω hω E hω α jest rzędu 10-1 - 10 3 cm -1 g q ) g q ) α Zależy od temperatury (liczba fononów zależy od temperatury) Absorpcja międzypasmowa: skośna przerwa energetyczna Ge ma skośną przerwę energetyczną =0.66 ev i niewiele szerszą prostą przerwę = 0.8 ev α ( h ω E ± hω ) fon g 2 ( hω Eg ) 1/ 2 15
Absorpcja międzypasmowa: porównanie GaAs: prosta przerwa, 1.4 ev Si: skośna przerwa 1.1 ev absorpcja związana z przejściami prostymi jest znacznie silniejsza Przejścia międzypasmowe w metalach Kolor miedzi, złota itp. 16
Absorpcja ekscytonowa Ekscyton to stan związany elektronu i dziury; Absorpcja ekscytonowa Obserwuje się w izolatorach i półprzewodnikach w niskich temperaturach (maksimum tuż poniżej krawędzi absorpcji międzypasmowej); 17
Absorpcja ekscytonowa Można również obserwować stany wzbudzone ekscytonu (jak w atomie); Absorpcja na domieszkach niskie temperatury wysokie temperatury 18
Absorpcja na domieszkach Możliwe przejścia: Absorpcja na domieszkach 19
Centra barwne Centra barwne są to defekty (punktowe) w krysztale, które absorbują światło z zakresu widzialnego. Centra barwne często powstają wskutek napromieniowania kryształu. Polega to na tym, że promieniowanie wybija elektron z jakiegoś atomu a defekt (np. brak jonu ujemnego) wiąże ten elektron. Układ związany: defekt i elektron może absorbować światło. Absorpcja na swobodnych nośnikach Puste stany T = 0K Zapełnione stany Elektrony w metalu mogą absorbować promieniowanie o praktycznie każdej częstotliwości. E F 20
Oddziaływanie światła z elektronami quasiswobodnymi. Związek wielkości dielektrycznych z przewodnictwem elektrycznym σ (0) σ ( ω) = 1 + iωτ σ = σ ' + iσ '' ε = ε ' + iε '' r v dp d j = dt dt r r j = σe r ( χε E) = ( ε ) = 0 1 0 r ε iωe σ (0) τ ε ' = 1 ε, ε '' = 2 2 2 2 ( 1+ ω τ ) ωε ( + ω τ ) 0 0 1 σ (0) σ (0) τ ε ' = 1 ε, ε '' = 2 2 2 2 ( 1+ ω τ ) ωε ( + ω τ ) 0 0 1 σ (0) Oznaczmy przez: 2 2 σ (0) ne ω p = = ε τ ε m * 0 0 zatem, otrzymujemy wyrażenie: ε ' = 1 ε '' = ω ω τ 2 τ 2 p 2 2 ( 1+ ω τ ) 2 ωpτ 2 2 ( 1+ ω τ ) 21
ε ' = 1 ε '' = ω 2 2 2 2 p 2 ε' + ( ε' + ε'' ) ω τ 2 2 ( 1+ ω τ ) 2 ωpτ 2 2 ( 1+ ω τ ) n' = 2 ε' + n'' = 2 2 2 ( ε' + ε'' ) 2 2n'' ω α = c 2 1 n R = = 1+ n 1/ 2 1/ 2 2 2 ( n' 1) + n'' 2 2 ( n' + 1) + n'' 2 2 ε ' = ω τ p 2 ωpτ ε '' = ω 2 ε '' n' = 2 2 ε '' n' ' = 2 R =1 2 2 σ (0) ne ω 2 '' ω n p = = α = ω ε τ ε * c 0 0m 1/ 2 22
ω p Drgania plazmowe gazu elektronowego: L Niech pewna liczba elektronów (nxs) w r r pewnej chwili ulegnie przesunięciu o x. m = nexsl Powstaje dipol o momencie dipolowym: r r Odpowiada to wektorowi polaryzacji: P = nex Ponieważ w metalu D=0: r r r r nex Mamy: 0 = D = ε 0E + P E = Czyli siła działająca na każdy elektron jest ε 0 siłą harmoniczną: r r 2 r ne x F = qe = ε 0 ω p Drgania plazmowe gazu elektronowego: Ponieważ siła jest siłą harmoniczną można oczekiwać drgań harmonicznych. Częstotliwość rezonansowa harmonicznych drgań gazu elektronów swobodnych to częstotliwość plazmowa. ω p = 2 ne mε 0 L r r 2 r ne x F = qe = ε 0 r 2 r 2 r ne x F = mω x = p ε 0 23
ε(ω) 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.5 Absorpcja na swobodnych nośnikach tłumienie propagacja -2.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 ω/ω p Metal staje się przezroczysty powyżej częstotliwości plazmowej. Absorpcja na swobodnych nośnikach Częstość drgań plazmowych zależy od koncentracji nośników ładunku. 24
Kolor a wielkość klastrów metali Kolor a wielkość klastrów metali Źródłem koloru spowodowanego obecnością ś nanoklastrów metalu są powierzchniowe plazmony. Przykład: rubinowe szkło weneckie (Murano) zawierało małe klastry złota. Obecna podróbka zawiera klastry Cu i CuO o wielkości rzędu nm. 25
Absorpcja na fononach Absorpcja może zachodzić tak, że foton wzbudza fonon (foton jest zaabsorbowany przez fonon ). W taki sposób można rozważać absorpcję gdy oddziaływanie foton-fonon jest słabe (półprzewodniki lub kryształy molekularne). Gdy oddziaływanie jest silne (kryształy jonowe) zjawisko jest bardziej skomplikowane. Absorpcja na fononach:kryształy jonowe Materiały o wiązaniu jonowym bardzo silnie i oddziałują z polem elektrycznym promieniowania elektromagnetycznego, ponieważ jony o przeciwnym znaku przemieszczają się w przeciwnych kierunkach silna absorpcja w podczerwieni. 26
Absorpcja na fononach:kryształy jonowe Silne oddziaływanie zachodzi w tym zakresie częstotliwości w którym obserwuje się rezonans polaryzacji jonowej. Absorpcja na fononach: kryształy molekularne Molekuły są słabo ze sobą związane, zatem absorpcja wynika głównie z budowy samych cząsteczek Np. woda: 27
Absorpcja: podsumowanie Absorpcja światła w materiałach amorficznych 28
Absorpcja światła przez szkło Szkło jest przezroczyste dla światła w zakresie między nadfioletem a podczerwienią Absorpcja elektronowa (odpowiednik przejść międzypasmowych) Absorpcja światła przez szkło Transmission Window Absorpcja na fononach 29
Absorpcja elektronowa Silicon cation Elektron związany z anionem przechodzi do kationu; Im silniej związane elektrony, tym mniejsza długość fali krawędzi absorpcji (UV); Oxygen anion Absorpcja elektronowa Krawędź absorpcji przesuwa Krawędź absorpcji przesuwa się do krótszych fal Im silniej są związane elektrony Im wyżej jest dany pierwiastek szkłotwórczy w układzie okresowym; 30
Absorpcja fononowa Absorpcja fononowa Krawędź długofalowa absorpcji wynika ze wzbudzenia drgań atomów w szkle. Częstość rezonansowa rośnie gdy Wiązanie między atomami jest silne Masa atomów jest mała m = (m 1 m 2 )/(m 1 + m 2 ) 1 ν = 2π k µ r 31
Współczynnik załamania światła Absorpcja na domieszkach 32
Absorpcja na domieszkach: kolor szkła Rozpraszanie światła Nawet jeśli światło rozchodzi się w danym materiale, to i tak może być rozpraszane wewnątrz niego. W ten sposób niesiona przez światło informacja może zaniknąć. 33
Rozpraszanie światła Światło może być rozpraszane przez: Granice międzyziarnowe w materiałach polikrystalicznych; Pory w ceramikach; Inne fazy; Małe, przypadkowo rozłożone różnice współczynnika załamania spowodowane np. zmianą gęstości, struktury lub składu, drganiami cieplnymi atomów. Światło może być rozpraszane sprężyście i niesprężyście (ze zmianą długości fali). Rozpraszanie Ramana Rozpraszanie Ramana: Światło o długości fali λ 1 wzbudza drgania atomów materiału (fonony) oraz emisję światła o długości fali λ 2. 34
Rozpraszanie Ramana Rozpraszanie Ramana 35
Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Normalnie, intensywność promieniowania rozproszonego (λ 2 ) jest znacznie mniejsza niż intensywność promieniowania padającego. Jeżeli światło padające jest wystarczająco intensywne, a materiał umieszczony jest we wnęce rezonansowej, wówczas może nastąpić wzmocnienie (wzmocnienie Ramana) oraz akcja laserowa. Laser Ramana Wymuszone rozpraszanie Ramana: Największe wzmocnienie następuje, gdy różnica długości fali promieniowania pompującego i emitowanego wynosi: 36
Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie światła na przeszkodach mniejszych niż długość fali. A dielectric particle smaller than wavelength Incident wave Throughwave Scattered waves A dielectric particle smaller than wavelength Incident wave Through wave Scattered waves Światło padając na małą cząstkę dielektryka pobudza ja p ją ą ą ę y p j do drgań, co z kolei, powoduje emisję promieniowania elektromagnetycznego we wszystkich kierunkach. Tzn. część energii fali padającej jest rozpraszana w kierunkach różnych niż fala padająca. 37
Rozpraszanie Rayleigha w szkle Na marginesie: Rozpraszanie Rayleigha jest przyczyną, dlaczego niebo jest niebieskie rozpraszanie jest proporcjonalne do λ -4 ponieważ λ czerw ~ 2λ nieb niebieskie światło jest około~16 razy silniej rozpraszanie niż czerwone. Zjawisko to ma bardzo duże znaczenie w technologii światłowodowej (szkło jest bardzo czyste i przezroczyste, dlatego tak subtelne efekty mają znaczenie). 38
NIELINIOWE WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE Optyka nieliniowa W optyce liniowej światło przechodząc przez materiał ł albo ugina się, albo zwalnia, ale jego częstotliwość nie zmienia się. Polaryzacja ośrodka zmienia się proporcjonalnie do pola elektrycznego światła. 39
Optyka nieliniowa Gdy intensywność światła oddziałującego z materiałem rośnie odpowiedź przestaje być liniowa. Output Input intensity Optyka nieliniowa. Efekty nieliniowe prowadzą do różnych ciekawych i egzotycznych zjawisk 40
Optyka nieliniowa Efekty nieliniowe pojawiają się w niektórych materiałach ł w silnym świetle i gdy natężenie pola elektrycznego światła jest porównywalne z polem elektrycznym w atomie. Konwencjonalne źródła światła - 10 3 V/cm, pole atomowe - 10 7-10 10 V/cm, światło lasera - 10 8-10 9 V/cm W optyce nieliniowej polaryzacja ośrodka zmienia się inaczej niż proporcjonalnie do pola. Częstotliwość światła może się zmienić. Optyka nieliniowa Potential due to nucleus Energy The potential gets very flat out at infinity, so the electron s motion can easily go nonlinear! Nucleus Position Zjawiska nieliniowe wynikają z nieharmoniczności sił działających na elektrony. 41
Optyka liniowa r P r = ε χ E 0 Optyka nieliniowa Co będzie, gdy uwzględnimy dalsze (nieliniowe) wyrażenia: 1 2 2 P = ε 0 ( χ E + χ E +...) Natężenie pola elektrycznego: E = E Natężenie pola elektrycznego w nieliniowym krysztale: 1 iωt 2 2 E χ E e + χ E e ω (2) χ 2ω ω 0 e iωt 0 0 i 2ωt 2ω = druga harmoniczna 42
Optyka nieliniowa To samo w inny sposób: Przy oświetleniu wystarczająco intensywnym światłem elektrony wzbudzane są nie tylko do pierwszego, ale i do wyższego stanu. Optyka nieliniowa Gdy kryształ nieliniowy oświetlony jest światłem o różnych częstotliwościach, można spodziewać się różnych skomplikowanych efektów (mieszanie częstotliwości). 43
Generacja drugiej harmonicznej Introduction to Biophotonics Prasad - John Wiley & Sons 2003 Suma częstotliwości ω 2 χ (2) ω 2 ω = ω + ω 3 1 ω2 ω 1 ω 1 Zastosowanie: Regulowane źródło UV ω 2 ω 1 ω 3 44
Różnica częstotliwości ω ω2 2 (2) χ ω 3 = ω1 ω2 ω ω 1 1 Zastosowanie: światło o niższej częstotliwości jest wzmacniany w obecności światła o wyższej częstotliwości 1 ω ω 2 ω 3 Przesunięcie fazowe ω (2) χ 2ω Prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku nieliniowym zależy ż od długości ś fali prędkość światła i o częstotliwości tli ś i podstawowej i harmonicznej jest różna powstaje przesunięcie fazowe. 45
Zielony laser Zielony laser jest w istocie laserem podczerwonym z podwajaniem częstotliwości przez kryształ o nieliniowych właściwościach optycznych. Współczynnik załamania światła Współczynnik załamania światła w materiale nieliniowym zależy od natężenia światła. n = n + 0 n2i 46
Współczynnik załamania światła Mechanism n 2 (cm 2 /W) Response time (sec) Electronic Polarization Molecular Orientation Electrostriction Saturated Atomic Absorption Thermal effects 10-16 10-15 10-14 10-12 10-14 10-9 10-10 10-8 10-6 10-3 Photorefractive Effect large Intensity dependent Zjawiska elektrooptyczne Umieszczenie kryształu nieliniowego w polu elektrycznym zmienia jego współczynnik załamania i wprowadza dwójłomność (efekt Pockelsa). V Polarizer V = 0, polaryzacja impulsu nie zmienia się Komórka Pockelsa V = V π, polaryzacja impulsu zmienia się na przeciwną 47
Efekty elektrooptyczne Zjawiska (liniowe i kwadratowe) polegające na zależności współczynnika załamania od pola elektrycznego. Kryształy bez środka symetrii wykazują liniowe zjawisko elektrooptyczne (zjawisko Pockelsa); Pozostałe przezroczyste materiały: kwadratowe zjawisko elektrooptyczne (zjawisko Kerra). n 1 2 1 2 + ( E) = n + a E + a E... 2 Liniowy efekt elektrooptyczny: efekt Pockelsa W polu elektrycznym, proporcjonalnie do przyłożonego pola, zmieniają się współczynniki załamania kryształu: n 1 ( E) = n 3 r n E gdzie r jest stałą Pockelsa (tensor) 2 Typowe wartości r: 10-12 -10-10 m/v n dla E=10 6 V/m : 10-6 -10-4 48
Liniowy efekt elektrooptyczny: efekt Pockelsa Liniowy efekt elektrooptyczny: efekt Pockelsa W kryształach dwójłomnych zastępuje przesunięcie fazowe między falami o różnej polaryzacji. Dzięki efektowi Pockelsa można kontrolować przesunięcie fazowe polem elektrycznym (modulatory fazy). LiNbO 3 LiTaO 3 KDP(KH 2 PO 4 ) KD*P(KD 2 PO 4 ) ADP (NH 4 H 2 PO 4 ) longitudinal cells 49
Kwadratowy efekt elektrooptyczny: efekt Kerra W polu elektrycznym, proporcjonalnie do kwadratu przyłożonego pola, zmieniają się współczynniki załamania materiałów: n gdzie s jest stałą Kerra 1 2 3 2 ( E) = n s n E Typowe wartości s:10-18 to 10-14 m 2 /V 2 n dla E=10 6 V/m :10-6 -10-2 ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE, WEWNETRZNE I ICH RÓŻNE ZASTOSOWANIA 50
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Światło padając na powierzchnię materiału wybija z niej elektron ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE 2 hc mv φ φ ev λ = + 2 = + stop E min hc = λ maks = Φ 51
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE zależność prądu fotoemisji od natężenia światła ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE zależność prądu fotoemisji od częstotliwości -2α 3α 2 - α e e j = AT (e - + -..) 2 2 2 3 h( ω ) = 0 ω α ΚT 52
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Ciekawostka: Światło słoneczne padając na pył księżycowy wywołuje zjawisko fotoelektryczne. Pył traci elektrony i ładuje się dodatnio. Naładowane cząstki pyłu odpychają się i unoszą nad powierzchnia Księżyca. Zjawisko to obserwuje się jak rodzaj mgły powodującej, że szczegóły powierzchni stają się nieostre oraz jako poświata w czasie zachodu Słońca. ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH 53
Fotoprzewodnictwo Conduction Band hf E E c E D E A Valence Band E v Światło generuje w półprzewodniku,l ub złączu półprzewodnikowym pary elektron-dziura.powoduje to wzrost przewodnictwa. Zjawisko wykorzystuje się w fotorezystorach i fotodiodach. Fotorezystory Prąd płynący przez półprzewodnik jest proporcjonalny do strumienia kwantów promieniowania padających na materiał. Rysunek: charakterystyka CdS http://www9.dw-world.de/rtc/infotheque/electronic_components/resistors.html 54
Fotorezystor Najczęściej, ę j, fotorezystory y są ą czułe na promieniowanie w zakresie podczerwieni i widzialnym. http://www.token.com.tw/resistor/photo-cds.htm Fotodiody Zasada działania: diodę p-n polaryzujemy w kierunku zaporowym: prąd nie płynie (lub płynie bardzo mały prąd). P --- D +++ N - + E C µ E V Holes e φ 0 E C E V p- n-t 55
Fotodiody Zasada działania: światło pada na obszar złącza, generuje pary elektron-dziura dziura. P --- D +++ N - + E C - µ E V Holes e φ 0 E C + E V p- n- Fotodiody nieoświetlona oświetlona 56
Fotodiody Istnieją różne rodzaje tych urządzeń. Główne, to: Fotodiody typu pin (złącze p-obszar samoistny-n); Fotodiody lawinowe; Fotodiody Fotodioda typu pin: 57
Fotodiody Fotodioda d lawinowa: Padający foton generuje parę elektron-dziura. Elektrony i dziury przyspieszane są w polu elektrycznym. Zderzają się z neutralnymi atomami wzbudzając kolejne elektrony (elektrony wtórne) Elektroluminescencja Świecenie pod wpływem przepływu prądu. 58
LED Zasada działania: p hν n +V -V warstwa aktywna Energia E = hν lub E(eV) = 1.24/λ(µm) E fn E fn hν LED kolory Kolor zależy od szerokości przerwy energetycznej. 59
Materiał Typ Podłoże Urządzenie Długość fali (µm) Si SiC Ge GaAs AlGaAs GaInP GaAlInP GaP GaAsP InP InGaAs InGaAsP InAlAs InAlGaAs GaSb/GaAlSb CdHgTe ZnSe ZnS IV IV IV III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V II-VI II-VI] II-VI II-VI Si SiC Ge GaAS GaAS GaAs GaAS GaP GaP InP InP InP InP InP GaSb CdTe ZnSe ZnS Detektory, komórki fotoelektryczne Niebieskie LED Detektory LED, lasery, Detektory, komórki fotoelektryczne, Wzmacniacze LEDs, lasery, komórki fotoelektryczne, Imagers lasery, LEDs lasery, LEDs LEDs LEDs komórki fotoelektryczne Detektory lasery, LED lasery, Detektory lasery, Detektory lasery, Detektory Detektory LEDs LEDs 0.5-1 0.4 1-1.8 0.85 0.67-0.98 0.5-0.7 0.5-0.7 0.5-0.7 0.5-0.7 0.9 1-1.67 1-1.6 1-2.5 1-2.5 2-3.5 3-5 i 8-12 0.4-0.6 0.4-0.6 Przerwa energetyczna Przyczyna znaczenia związków III-V: większość ma dużą i prostą przerwę energetyczną. 60
Rozmiar wpływa na przerwę energetyczną Literatura P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Universita di Pisa. S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT. Ertan Salik, OAO Corporation. Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce 61