Введение. По дисциплине «общая электротехника»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Общая Электротехника»

ЗлМ-349.270102. 2012.996.05 Р

Руководитель: старший преподаватель __________________ Шведова Е.В. «____» _____________________2012 г. Автор проекта: студент группы ЗлМ-349 ___________________ Запольских Н.С. «____» _____________________2012 г. Проект защищен с оценкой: __________________________________ «____» _____________________2012 г.

Златоуст 2012

Аннотация

Запольских Н.С Основы зонной теории. Оптопара.

—Филиал ФГБОУ ВПО ЮУрГУ в г.Златоусте.

Машиностроительный факультет. 2012, 19 с.

Библиографический список — 9 наименований.

Реферат на тему “ Основы зонной теории. Устройство и принцип действия оптопары.” разработан Запольских Никитой Сергеевичем и посвящен предмету “Общая электротехника и электроника”. Работа проводилась на основании интернет ресурсов, а также некоторой научно-популярной литературы.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Так же зонная теория важна для понимания принципа действия разнообразных электрических устройств.

В настоящее время тема изучения оптопары очень важна, так как оптопары применяются во всем мире производителями электронного оборудования. Их используют в аппаратурах передачи данных, преобразователях информации, системах автоматического управления и т.д.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………....….4

1 ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ..............................................................................5

2 ОПТОПАРА…………………………………………………………….....……..11

2.1 Основные определения………………………...…………………….......…12

2.2 Отличительные особенности оптронов………………………...........…....12

2.3 Обобщенная структурная схема..................................................................13

2.4 Применение..................................................................................................15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................18

3 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................19

ВВЕДЕНИЕ

Зонная теория твердого тела позволила объяснить электрические, оптические, магнитные и некоторые другие свойства кристаллических твердых тел. На ее основе была создана новая область электронной техники -полупроводниковая электроника. В настоящее время на основе положений зонной теории твердого тела конструируется множество электронных приборов, широко использующихся в различных областях науки и техники.

Одним из таких простейших приборов является фотосопротивление. Примером одного из самых сложных приборов, сконструированных на основе принципов зонной теории, является полупроводниковый лазер.

Оптопара – это понятие с каждым годом становится известным все более широким кругам специалистов в области радиоэлектроники.

Цель работы: ознакомится с устройством оптоэлектронных устройств – оптопар, исследовать их устройство, достоинства и применение.

1 ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ [1] [2] [3] [4] [ 7 ]

Зонная теория твёрдого тела — квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

В кристаллическом твердом теле вследствие упорядоченного расположения ионов (атомов) в узлах кристаллической решетки возникает электрическое поле, которое является периодической функцией (с периодом, равным периоду решетки кристалла). Это поле влияет на движение электронов и приводит к существенному изменению энергетических состояний электронов в твердом теле по сравнению с их состоянием в изолированных атомах.

Из теории строения атома известно, что электроны могут находиться только в таких состояниях, которым соответствуют вполне определенные значения энергии. В твердом теле энергетическое состояние электронов определяется не только взаимодействием с ядром своего атома, но и электрическим полем кристаллической решетки, то есть взаимодействием с другими атомами. В результате взаимодействия с электрическим полем кристаллической решетки электрон получает небольшую положительную или отрицательную добавку к энергии, говорят, что энергетический уровень расщепляется. Вместо одного энергетического уровня, одинакового для всех N изолированных атомов, в твердом теле возникают N близко расположенных уровней, которые образуют разрешенную зону энергий. Сильнее всего взаимодействие между атомами твердого тела сказывается на энергетических уровнях внешних электронов атома, которые менее связаны с ядром по сравнению внутренними электронами и обладают наибольшей энергией.

В каждой разрешенной энергетической зоне содержится N близких уровней, где N − общее число атомов в кристалле. Расстояние между соседними уровнями зоны составляет ~ 10⁻²² эВ. Учитывая, что в 1 см³ твердого тела находится 10²² − 10²³ атомов, получим ширину разрешенной зоны порядка нескольких электронвольт. Разрешенные зоны энергий в твердом теле также, как и в изолированном атоме, разделены запрещенными зонами энергий, имеющими такой же порядок ширины (рис. 1).

Рис. 2. Схемы энергетических зон.

Схема разрешенных зон в кристалле напоминает схему энергетических уровней в атоме. Если энергетический уровень в атоме заполнен электронами, то соответствующая ему разрешенная зона будет также заполненной. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне могут находиться не более двух электронов (с противоположно направленными спинами), следовательно, общее число электронов в заполненной зоне равно

2 N.

Рис. 2. Схемы энергетических зон и заполнение их электронами. Электроны показаны точками на энергетических уровнях.

В зависимости от степени заполнения валентной зоны электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенные на рис. 2.

В случае а) электроны заполняют валентную зону не полностью. Поэтому

достаточно сообщить электронам, находящимся на верхних уровнях, энергию 10⁻²³ − 10⁻²² эВ для того, чтобы перевести их на более высокие энергетические уровни. Энергия теплового движения (kT) составляет при 1К величину порядка 10⁻⁴ эВ (при комнатной температуре ~ 0,025 эВ). Следовательно, при T > 0 К часть электронов переводится на более высокие

уровни.

Дополнительная энергия, сообщаемая электрону электрическим полем, также оказывается достаточной для перевода электрона на более высокие уровни. Поэтому электроны могут ускоряться электрическим полем и приобретать дополнительную скорость в направлении, противоположном

полю. Таким образом, кристалл с подобной схемой энергетических уровней будет проводить электрический ток, то есть будет металлом.

Зоны, заполненные частично, называются зонами проводимости, так

как только в них возможно создание направленного движения электронов,

то есть электрического тока. Образование частично заполненной зоны возможно также за счет перекрытия заполненной и пустой зон.

Вещества, у которых валентная зона заполнена электронами полностью, а ширина запрещенной зоны достаточно велика (ΔE > 4 эВ), относятся к диэлектрикам (изоляторам, рис. 2, в). Это связано с тем, что в образовании электрического тока участвуют только те электроны, которые могут под действием электрического поля переходить на более высокие энергетические уровни.

На длине свободного пробега электрическое поле может сообщить электрону энергию порядка 10⁻⁵ − 10⁻⁴ эВ, тогда как ширина запрещенной

зоны больше 4 эВ. Следовательно, электрическое поле не в состоянии перевести электроны из полностью заполненной зоны на свободные уровни

расположенной выше зоны. Поэтому в диэлектриках при наложении электрического поля не возникает направленного движения электронов − электрического тока.

В полупроводниках (рис. 2, б) ширина запрещенной зоны

ΔЕ = 0,1 − 2,0 эВ, то есть существенно меньше, чем у диэлектриков. При

0 К все уровни валентной зоны полупроводника заняты электронами, а в

расположенной выше зоне проводимости электронов нет. Поскольку ширина запрещенной зоны полупроводников ненамного превышает среднюю

энергию теплового движения (kT), то при T > 0 K часть электронов за

счет энергии теплового движения переходит из валентной зоны в зону

проводимости.

В зоне проводимости появляются электроны, называемые электронами проводимости, а в валентной зоне образуются вакантные уровни, на которые могут перейти электроны с более низко расположенных уровней. Освободившееся место на уровне называется вакансией или дыркой. Дырка − это атом кристаллической решетки, потерявшей один валентный электрон и поэтому заряженный положительно. Очевидно, что в данном случае число дырок в валентной зоне равно числу электронов в зоне проводимости.

Наряду с переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости имеют место переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону. При этом электрон отдает решетке энергию ΔЕ и одна вакансия заполняется, дырка исчезает. Подобный процесс называется рекомбинацией электронов проводимости и дырок. Переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости и обратно происходят в полупроводнике одновременно, так что имеет место динамическое равновесие. Равновесная концентрация электронов в зоне проводимости (n_n) и дырок в валентной зоне (n_p) увеличивается с повышением температуры T и зависит от ширины запрещенной зоны.

, (1)

Здесь А − слабо зависящая от температуры величина, характеризующая данный полупроводник.

При наложении внешнего электрического поля электроны в обеих зонах начнут переходить на более высокие уровни энергии. Эта добавка энергии есть вклад кинетической энергии упорядоченного движения электронов под действием электрического поля. Наличие близкого свободного вышележащего уровня энергии позволяет электронам поглощать энергию электрического поля, приходя в упорядоченное движение в направлении, противоположном полю. Подобный процесс и представляет собой элек- трический ток.

Ионизированный атом решетки, потерявший электрон, может ней-трализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Таким об-разом, произойдет перемещение положительного заряда в кристаллической решетке, иначе говоря, перемещение положительной дырки. Она переме-

щается в то место, откуда ушел электрон. Такое движение дырок, образо-

вавшихся в валентной зоне за счет ухода из нее электронов, происходит

под действием электрического поля и в направлении поля, то есть оно так-

же образует электрический ток. Электропроводность полупроводника,

обусловленную перемещением дырок в валентной зоне, называют дырочной проводимостью.

Итак, собственная проводимость полупроводника носит смешанный

электронно-дырочный характер.

Энергию, необходимую для перевода электронов из валентной зоны

полупроводника в зону проводимости, можно сообщить, не только нагревая, но и освещая полупроводник. Электроны валентной зоны, поглощая фотоны, переходят на энергетические уровни свободной зоны и становятся электронами проводимости, а в валентной зоне появляется такое же коли-чество дырок. Электропроводность полупроводника σ возрастает. В этом

и заключается внутренний фотоэффект в полупроводниках.

Очевидно, что поглощение фотонов электронами валентной зоны (т.е. внутренний фотоэффект) будет наблюдаться только в том случае, если энергия фотонов больше или равна ширине запрещенной зоны:

hν ≥ ΔE, (2)

где h − постоянная Планка; ν − частота падающего света. Значит для

внутреннего фотоэффекта, как и для внешнего, должна существовать красная граница. Количество электронов, переведенных в зону проводимости, как и во внешнем фотоэффекте, пропорционально количеству фотонов (интенсивности света), попадающих на полупроводник.

Изменение проводимости σ при освещении полупроводника определяется выражением:

Δσ = e f (μ_n τ_n + μ_p τ_p), (3)

где е − заряд электрона; f − число электронно-дырочных пар, генерируемых световым потоком в одну секунду в единице объема; μ_n и μ_р − подвижности электронов проводимости и дырок; τ_n и τ_р − времена их жизни.

2 ОПТОПАРА [ 5] [6] [7]