Чем больше частота, тем короче длина волны, тем больше энергия.

Красная граница - соответствующая предельной длины волны, способной вызвать фотоэффект.

 

(Открытие кванта: Созданию квантовой теории света предшествовало открытие красной границы).

Полная энергия полученного é от излучения с частотой равна произведению постоянной Планка и частотой света.

 

 

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит. 7.2. Полупроводники. Проводимость собственная и примесная. Донорные и акцепторные примеси. Фотоэффект в полупроводниках. Схема фотодиодного сенсора матрицы. Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.^[1] Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.^[1] Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки». Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок». р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32). В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры. Собственной проводимостью обладают чистые проводники. Атом германия через свои четырехвалентные электроны образует с каждым из четырех соседних атомов германия парноэлектронную связь. Bнyтpeннuй фoтoэффeкт нa6людaeтcя npu ocвeщeнии пoлyпpoвoднuкoв и дuэлeктpuкoв, ecлu энepruя фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнa из вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдимocти. B некоторых noлynpoвoдникax фoтoэффeкт o6нapyживaeтcя тaкжe в тoм cлyчae, ecли энeprия элeктpoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнoв в зoнy npoвoдимocти c дoнopныx npимecныx ypoвнeй или из вaлeнтнoй зoны. Taк в noлynpoвoдникax и диэлeктpикax вoзникaeт фотопроводимость. Интepecнaя paзнoвиднocть внyтpeннero фoтoэффeктa нa6людaeтcя в кoнтaктe элeктpoннoro и дыpoчнoro noлynpoвoдникoв. B этoм cлyчae noд дeйcтвиeм cвeтa вoзникaют элeктpoны и дыpки, кoтopыe paздeляютcя элeктpичecким noлeм p-n-nepexoдa: элeктpoны nepeмeщaютcя в noлynpoвoдник тиna n, a дыpки - в noлynpoвoдник тиna p. Пpи этoм мeждy дыpoчным и элeктpoнным noлynpoвoдникaми измeняeтcя кoнтaктнaя paзнocть noтeнциaлoв no cpaвнeнию c paвнoвecнoй, т.e. вoзникaeт фoтoэлeктpoдвижyщaя cилa. Taкyю фopмy внyтpeннero фoтoэффeктa нaзывaют вeнтильным фoтoэффeктoм. Ма́трица (или фотосенсор) — часть (фотосенсора) прямоугольной формы, полученая на базе полупроводникового материала, полимера кремния и других добавок методом: окисления, литографии, травления, легирования, химического парофазного осаждения и металлизации, отличающийся наличием полученных фотодиодов и пикселей, созданных на цельной керамической кремниевой подложке и предназначен для сборки.^[1] Матрица состоит из работающих фотодиодов — пикселей), объединённых специализированной аналоговой интегральной микросхемой в указанной границе, а также —неработающих фотодиодов по периметру пластины Обычно матрица (фото) формируется из фотодиодов, которые могут быть однослойными и многослойными. Именно работающие фотодиоды, объединённые токопроводящими электрическими проводниками, называются пикселями. Готовые фотосенсоры получают при сборке матриц и каркаса фотосенсора с токопроводящими выводами. Они используют нейтральные контуры пластин (матриц) по периметру для крепления в корпусе и для пайки выводов фотосенсора. Не работающие фотодиоды оговаривается в инструкциях цифровых фотоаппаратов. Т.е. габарит фотосенсора определяется конечными размерами корпуса с выводами, в которам вмонтирована матрица (фото). Рабочая поверхность фотосенсора определяется обычно прямоугольной зоной на поверхности матрицы соединенных между собой электрической схемой фотодиодов — пикселей. В однослойных фотосенсорах матрицы содержат фотодиоды однослойные. В этом случае фотодиоды и пиксели лежат в одной плоскости. В Foveon X3-иатрица кажлый фотодиод трёхуровневый, трёхслойный и несёт 3 пикселя, откуда размеры их в три раза меньше по площади, чем однослойные пластины матриц. В обоих случаях по переферии пластин матриц расположены только фотодиоды, служащие технологической базой при создании готового фотодатчика (фотосенсора). Применение матрицы (фото): Матрица (фото) предназначена для преобразования оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы). Она является основным элементом современных цифровых фотоаппаратов, видео- и телевизионных камер, фотокамер в телефонах, камер видеонаблюдения и т.п. Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации и т.д. 7.3. Принципиальное устройство МОП-конденсатора. Фотоэффект в МОП-конденсаторе. Метал окисел полупроводниковые.Конденсатор электрический, система из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок; такая система электродов обладает взаимной электрической ёмкостью. К. э. в виде готового изделия применяется в электрических цепях там, где необходима сосредоточенная ёмкость. Диэлектриком в К. э. служат газы, жидкости и твёрдые электроизоляционные вещества, а также полупроводники. Обкладками К. э. с газообразным и жидким диэлектриком служит система металлических пластин с постоянным зазором между ними. В К. э. с твёрдым диэлектриком обкладки делают из тонкой металлической фольги или наносят слои металла непосредственно на диэлектрик. Для некоторых типов К. э. на поверхность металлической фольги (1-я обкладка) наносится тонкий слой диэлектрика; 2-й обкладкой является металлическая или полупроводниковая плёнка, нанесённая на слой диэлектрика с другой стороны, или электролит, в который погружается оксидированная фольга. В интегральных схемах применяются два принципиально новых вида К. э.: диффузионные и металл-окисел-полупроводниковые (МОП) КМОП-сенсор или фотосенсор, где основным элементом является матрица (фото), выполненная на основе КМОП-технологии. В КМОП-сенсорах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости 7.4. Характеристики сенсоров фоточувствительной матрицы. Тип, размер и разрешение сенсора оказывают решающее влияние на качество фотоснимков, которое потенциально способен обеспечить фотоаппарат. Сейчас вперёд вырвались КМОП-матрицы с обратной засветкой (BSI-CMOS), они обеспечивают более высокий уровень чувствительности и лучшую скорость работы, чем традиционные CCD-сенсоры. От размера сенсора зависит площадь каждой отдельной светочувствительной ячейки, а следовательно, и её чувствительность к свету. Чем больше размер, тем лучше — причем разница с каждым шагом может быть весьма существенной. Недорогие компакты оснащаются сенсорами формата 1/2,3 дюйма. Качество снимков у таких камер невысокое. Формат 1/1,7 дюйма намного лучше. По-настоящему хорошие в техническом плане фотографии получаются у камер, оборудованных сенсорами APS-C (приблизительно 23×15 мм), а старшие модели зеркальных камер оснащаются матрицами размером с кадр 35-мм плёнки — 36×24 мм (Full Frame). Разрешение влияет на теоретически возможную детализацию кадров, однако гнаться за этой характеристикой не имеет смысла. 12 миллионов точек на хорошем сенсоре вполне хватит для широкоформатной печати, а лишние пиксели вряд ли существенно расширят ваши творческие возможности. Напротив, производители иногда даже уменьшают разрешение, чтобы увеличить площадь ячеек и улучшить такие показатели, как чувствительность, уровень шумов и диапазон воспроизводимых яркостей. Эта тенденция особенно заметна в классе продвинутых компактов. 7.5. Матрица ПЗС. Устройство и принцип работы. Сенсор и пиксел матрицы. Фильтр Байера. Форматы матрицы. ПЗС-ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — основной элемент фотосенсора, специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими. ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя. После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы. Архитектура пикселей у производителей разная. Фильтр Байера (шаблон Байера) — специальная архитектура системы цветных фильтров для фотосенсора. Представляет собой массив цветных (RGB) фильтров в ячейках однослойных матриц (фото), которыми накрыты фотодиоды матрицы, используемые в цифровой фотографии. Фильтр Байера назван в честь его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer), сотрудника компании Kodak.[1] Фильтр используется в фотосенсорах цифровых фотоаппаратов, видеокамерах и сканерах для получения цветного изображения (технология цифровой цветной фотографии). Массив фильтра состоит из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов. По этой причине его часто называют GRGB или RGBG. Фотосенсоры формируют изображение из предметных точек, каждая из которых проецируется на «цветные» фотодиоды пиксели ячеек фотосенсора. Т.к. пиксели ячеек накрыты фильтрами RGB, то каждая предметная точка попадает на пиксель с потерей 2/3 цветового спектра цветов (красного, зелёного и синего) и в итоге получаем, что для получения аналоговой точки на фотосенсоре требуется информация трех рядом расположенных предметных точек (если ячейка из трех пикселей RGB) (Т.н. цветовая модель) RGB. Обычно ячейки фильтра Байера содержат четыре «цветных» фотодиода. Откуда следует, что каждая ячейка матрицы воспринимает только 1/3 часть спектра предметной точки и для получения остальных 2/3 цветов предметной точки участвуют две рядом расположенные ячейки, в каждой из которых находятся по 1/3 недостающего цвета. Т.е. получается, что в формировании цветного изображения каждой предметной точки участвуют три ячейки фотосенсора с потерями 2/3 цветового потока в каждой. 2/3 недостающих цветов рассчитываются процессором камеры на основании данных, полученных из соседних предметных точек объекта и соседних ячеек фотосенсора (несущих информацию недостающих цветов соседних предметных точек). В результате (интерполяции по алгоритму demosaicing) формируются цвета с восстановленной цветовой яркостью. (Не идентичной объекту).[2] В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке: G R B G При этом "цветных" фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, откуда видно, что составляющая зелёного цвета, полученная фотоматрицей равна половине спектра света [[RGB], соответственно - четверть красного и четверть — синего. Это принято в связи с особенностями человеческого глаза, который воспринимает зелёный цвет лучше остальных. Поскольку в такой ситуации потеря информации о цвете становится особенно заметна в зоне зеленых цветов, был разработан модифицированный фильтр Байера (GREB-фильтр), в котором половина зелёных ячеек заменена светло-голубыми (изумрудными), что позволяет добится более точной цветопередачи.   4/3", 18×13,5 мм, соотношение сторон 4:3 Стандарт 4/3 разработан совместно компаниями Olympus, Kodak и несколькими другими. Сейчас (2010 год) камеры с матрицами такого формата производят фирмы Olympus и Panasonic. Декларировались цели снижения стоимости производства, веса камер и объективов. DX и APS-C, около 25,1×16,7 мм, соотношение сторон 3:2 Фотосенсоры таких размеров наиболее часто встречаются в цифровых зеркальных или дальномерных фотоаппаратах. Существуют единичные примеры использования в камерах другого типа (Например, псевдозеркалка Sony DSC R1). Их площадь соответствуют примерно «полукадру» 35 мм кадра. APS-H формат, 27×18 мм, соотношение сторон 3:2 Фотосенсор с линейными размерами в 1,3 раза меньшими, чем у 35-мм кадра (разработан фирмой Canon). Полнокадровый (англ. full frame) фотодатчик формата 36×24 мм ±1 мм, соотношение сторон 3:2 Среднеформатная матрица формата 60×45 мм, соотношение сторон 4:3 Фотосенсоры таких размеров «сшиваются» из матриц меньшего размера, что сказывается на их стоимости. Применяются в дорогих камерах. 7.6. Цифровая фотография (последовательность преобразования оптического сигнала): В случае цифровой фотографии регистрация изображения объекта съемки осуществляется твердотельным преобразователем «свет-сигнал», так называемым фоточувствительным прибором с зарядовой связью. Это изделие электронной техники, преобразующее оптическое изображение в электрический сигнал, действие которого основано на формировании и быстром переносе по поверхности или внутри полупроводника регенерированных при действии света дискретных зарядовых пакетов. Зарядовые пакеты передаются к выходному устройству вследствие перемещения положения потенциальных ям. В процессе съемки электронной фотокамерой при действии света регенерируются, а затем под светочувствительной ячейкой накапливаются пакеты электрических зарядов, количество которых пропорционально интенсивности освещенности электрода. Для регистрации сигнала, содержащего видеоинформацию об изображении, необходим магнитный или магнитооптический диск, на который происходит запись в цифровой форме.