Шпаргалка по "Физике"

Одна из особенностей квантовой оптики состоит в её взаимосвязи с нелинейной оптикой. С одной стороны, в нелинейных оптических процессах меняются статистические свойства светового поля, а с другой - статистика поля оказывает влияние на протекание нелинейных процессов.

 

 

21. Фотоэлектронные  преобразователи.

 
Преобразование световой энергии  в электрическую называют фотоэлектрическим эффектом. 

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света.

Фотоэффект  подчиняется ряду закономерностей:

-энергия освобожденных электронов, называемых фотоэлектронами, абсолютно не зависит от интенсивности света;

- повышение  интенсивности приводит к увеличению числа фотоэлектронов, но не их скорости;

- число фотоэлектронов  пропорционально интенсивности  света;

- скорость  электронов зависит только от  частоты падающего света: с  увеличением частоты энергия  фотоэлектронов возрастает линейно.

Все тела, кроме  теплового излучения, в результате различных внешних воздействий  дают избыточное излучение, которое  не определяется температурой тела. Люминесценцией называют все виды свечений, возбуждаемых за счет любого внешнего источника  энергии. Длительность люминесценции после прекращения внешнего воздействия значительно превышает период световых колебаний, что позволяет отличать ее от отражения и рассеяния света и пр.

Существуют  внутренний и внешний фотоэффекты. При внутреннем фотоэффекте под действием света изменяется электропроводность тела (полупроводников и диэлектриков). Это явление называют фотопроводимость. При внешнем фотоэффекте электроны металла, получив дополнительную энергию, эмитируемых во внешнее пространство. Это явление называют фотоэмиссии.

22. Фотоэлектронные преобразователи с внешним фотоэффектом.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом  под действием света.

Фотоэффект  подчиняется ряду закономерностей:

- энергия освобожденных электронов, называемых фотоэлектронами, абсолютно не зависит от интенсивности света;

- повышение  интенсивности приводит к увеличению  числа фотоэлектронов, но не их  скорости;

- число фотоэлектронов  пропорционально интенсивности  света;

- скорость  электронов зависит только от частоты падающего света: с увеличением частоты энергия фотоэлектронов возрастает линейно.

Существуют внутренний и внешний фотоэффекты.

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.

Фотокатод —  электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты  или длины волны электромагнитного  излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

23.Фотоэлектронные преобразователи с внутренним фотоэффектом.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света.

Фотоэффект  подчиняется ряду закономерностей:

- энергия  освобожденных электронов, называемых  фотоэлектронами, абсолютно не  зависит от интенсивности света;

- повышение  интенсивности приводит к увеличению  числа фотоэлектронов, но не их  скорости;

- число фотоэлектронов  пропорционально интенсивности света;

- скорость  электронов зависит только от  частоты падающего света: с  увеличением частоты энергия  фотоэлектронов возрастает линейно.

Существуют внутренний и внешний фотоэффекты.

При внутреннем фотоэффекте  под действием света изменяется электропроводность тела (полупроводников и диэлектриков). Это явление называют фотопроводимость.

Фотопроводимость (фоторезистивный эффект) - изменение электропроводности среды, обусловленное действием эл-магн. излучения. Ярко выражена в полупроводниках и диэлектриках.

Фотопроводимость  обусловливается увеличением электрической  проводимости под влиянием лучистой энергии, вызывающей ионизацию атомов в данном теле, в результате чего возрастает число свободных электронов, возникающих в теле. Фотоэмиссия  и фотопроводимость не используются в передающих электронно-лучевых трубках, находящихся в телевизионных камерах.

 

 

 

24. Фоторезисторы, принцип работы и их конструкция.

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Монокристаллический фоторезистор

Принцип работы фоторезистора  основан на том, что при попадании  света (фотонов) на чувствительную поверхность  изменяется его сопротивление. Если обычный резистор имеет постоянно  одинаковое сопротивление и величина его указывается маркировкой, то сопротивление фоторезистора меняется в зависимости от количество света, которое попадает на единицу площади чувствительной поверхности фоторезистора.

Под интегральной чувствительностью фоторезистора понимают отношение фототока к величине падающего светового потока, если к фоторезистору приложено напряжение U = 1 В.

Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора выражает зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление, при постоянном напряжении.

Спектральная  чувствительность характеризует величину фототока при действии на фотосопротивление единицы светового потока определенной длины волны при определенном приложенном напряжении.

Широко применяется  для изготовления датчиков света. Например, если электрическую схему с входящим фоторезистором в ее состав настроить таким образом, чтобы при наступлении утра и увеличении количества света уровень сопротивления у фото элемента упадет и напряжение на реле достигнет предельного значения и оно отключит другую цепочку – например, Уличные фонари, что позволит автоматизировать процесс включения и выключения.

 

25. Фотодиод, принцип работы и их конструкция.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Обозначение на схемах

Структурная схема  фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

 

26.Фототранзисторы, принцип работы  и их конструкция.

Фототранзистор - это оптический электронный полупроводниковый прибор, один из вариантов биполярного транзистора. Отличается от стандартного варианта тем, что область базы доступна для светового облучения. Вследствие чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения, т.е. предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток.

Применяют два  варианта включения фототранзисторов:

- диодное - с использованием только двух выводов (эмиттера и коллектора)

- транзисторное - с использованием трех выводов, когда на вход подают не только световой, но и электрический сигналы.     Фототранзисторы используются в качестве фотоприемников и транзисторных оптопар. Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью - порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. 

Устройство транзистора: а - структура p-n-p-типа, б - эквивалентная схема

 

 

 

 

 

27. Источники света

Источник  света — любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

В физике идеализированы моделями точечных и непрерывных  источников света.

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции и различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного). В источниках света используется в основном электроэнергия, но также иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция и др.). В отличие от искусственных источников света, естественные источники света представляют собой природные материальные объекты.

Для получения  света могут быть использованы различные  формы энергии, и в этой связи  можно указать на основные виды (по утилизации энергии) источников света.

- Электрические:  Электрический нагрев тел каления  или плазмы. Джоулево тепло, вихревые токи, потоки электронов или ионов.

- Ядерные: распад  изотопов или деление ядер.

- Химические: горение  (окисление) топлив и нагрев  продуктов сгорания или тел  каления.

- Электролюминесцентные:  непосредственное преобразование электрической энергии в световую (минуя преобразование энергии в тепловую) в полупроводниках (светодиоды, лазерные светодиоды) или люминофорах, преобразующих в свет энергию переменного электрического поля либо преобразующих в свет энергию потока электронов

- Биолюминесцентные: бактериальные  источники света в живой природе.

28. Полупроводниковые  излучатели света

Наиболее широкое распространение  в качестве электролюминесцентных  источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости. В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости).

Такая инверсная  заселенность не является равновесной  и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.

Наилучшими  материалами для светодиодов  являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2).

Перспективными  источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать  высокие энергии в узкой спектральной области при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Недостатки простых инжекционных лазеров - имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками.