Министерство Образования РФ
Владимирский Государственный Университет
Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств
Исследовательская работа
на тему:
Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники
по дисциплине
Специальные главы физики
Выполнил:
ст. гр. РЭ-101
Солодов Д. В.
Проверил:
Устюжанинов В. Н.
Владимир 2003
Содержание
1. Физическое описание фотоэлектромагнитного эффекта …...……..…3
2. Математическое моделирование фотоэлектромагнитного эффекта…6
3. Оценка перспектив использования фотоэлектромагнитного эффекта в устройствах функциональной электроники………..….……………………..11
1. Физическое описание фотоэлектромагнитного эффекта
Фотоэлектромагнитный эффект, на¬зываемый также фотомагнитоэлектрическим, фотогальваномагнитным эффектом и эффектом Кикоина — Носкова открыт в 1934 г. Кикоиным и Носковым и объяснен тогда же Френкелем. Около 20 лет спустя выяснилось, что измерение ФМЭ и связанных с ним эффектов является очень удобным методом определения времени жизни и других парамет¬ров неосновных носителей заряда в полупроводниках. Эти параметры полупроводниковых материалов играют первостепенную роль в полупроводниковой элек¬тронике. В России и за рубежом начались ши¬рокие и интенсивные исследования фотомагнитного эффекта и возможностей его использования. Была построена подробная теория эффекта, измерен эффект в германии, кремнии, антимониде индия и многих других материалах, разработана методика определения рекомбинационных постоянных, на основе фотомагнитного эф¬фекта созданы приемники инфракрасного излучения и магнитометры.
Если полупроводник освещается излучением с энер¬гией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны, то под действием излучения электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, т. е. генерируются электроннодырочные пары. Генерация пар свободных носителей заряда путем внешнего воздействия на полупроводник называется биполярным возбужде¬нием. При меньшей энергии фотона может наблюдаться генерация носителей одного знака как основных, так и неосновных, с примесных центров (монополярное воз¬буждение). Генерируемые светом избыточные носи¬тели вместе с равновес¬ными участвуют в элек¬тропроводности, могут диффундировать от одной точки образца к другой. Встречаясь друг с другом или с примесными цент¬рами, избыточные носите¬ли могут уничтожаться, рекомбинировать. Пове¬дение избыточных носи¬телей описывается таки¬ми параметрами, как вре¬мя жизни, диффузионная длина, скорость поверх¬ностной рекомбинации и т. д. Эти параметры су¬щественным образом опре¬деляют работу таких широко распространенных полупро¬водниковых приборов, как транзистор, диод, фотоэлемент и др. При этом оказывается, что действие этих приборов обусловлено избыточными неосновными носи¬телями заряда, поэтому измерение параметров неоснов¬ных носителей заряда является необходимым этапом в исследовании материалов, предназначенных для изго¬товления приборов, а также в контроле качества этих материалов в процессе производства. Решить эту важ¬ную задачу помогает фотоэлектромагнитный эффект.
Рис. 1 Возникновение фотоэлектромагнитного эффекта в полупроводниковой пластине, где Н – напряженность магнитного поля, l – длина пластины, d – ее толщина, x1 и x2 - оси координат.
Фотоэлектромагнитный эффект состоит в появлении фото э. д. с. или фототока в освещенной полупроводниковой пластинке, помещенной в магнитное поле, параллельное ее поверхности. Фотоэлектромагнитная э. д. с. наблюдается в на¬правлении, перпендикулярном лучу света и магнитному полю. Эффект объясняется следующим образом.
Пусть свет падает на поверхность пластинки, перпендикулярную оси х2 (рис.1). Вблизи освещенной поверхности образуется избыток электронов и дырок относительно их равновесных концентраций при данной температуре. Носители заряда диффундируют в глубь образца со скоростями, величины которых, определяются коэффициентами диффузии электронов и дырок. Если коэффициенты диффузии электронов и дырок, пропорциональные подвижностям, не равны друг другу, то по мере приближения к темновой поверхности избыточная концентрация более быстрых носителей заряда превышает избыточную концентрацию более медленных, что вызы¬вает появление электрического поля, направленного пер¬пендикулярно плоскости пластинки. Это электрическое поле замедляет проникновение в глубь образца более быстрых носителей заряда и ускоряет движение более медленных носителей заряда. В стационарном режиме равные потоки электронов и дырок, перпендикулярные к поверхности пластинки, не создают электрического тока.
Магнитное поле, направленное перпендикулярно по¬токам носителей заряда, отклоняет диффундирующие электроны и дырки в противоположные стороны, в ре¬зультате чего их токи в направлении x1 складываются, образуя суммарный ток, плотность которого затухает по мере удаления от освещенной поверхности вследствие рекомбинации избыточных носителей заряда. Если кон¬цы образца замкнуть накоротко, то во внешней цепи по¬течет ток короткого замыкания фотомагнитного эффекта. В условиях короткого замыкания ток в каждой точке образца направлен в одну и ту же сторону, причем основная часть тока течет вблизи освещенной поверхно¬сти в слое толщиной, равной диффузионной длине.
Если контакты разомкнуты, то на концах образца на¬капливаются электрические заряды, что вызывает появ¬ление электрического поля, направленного вдоль образ¬ца. Это электрическое поле создает в образце ток, урав¬новешивающий ток короткого замыкания. фотомагнит¬ного эффекта. Поэтому возбужденный этим электри¬ческим полем ток распределяется равномерно по глуби¬не образца. Вблизи освещенной поверхности плотность тока, вызванного электрическим полем, по абсолютной величине меньше плотности фотомагнитного тока, вбли¬зи темновой поверхности — превышает ее. В результате в образце возникает циркулирующий ток, показанный на рис. 1 пунктиром. Циркулирующий ток был экспериментально обнаружен с помощью фотомагнитомеханического эффекта, состоящего в появлении момента сил, действующих на полупроводник в магнит¬ном поле.
Разность потенциалов, наблюдаемая между концами образца при разомкнутой внешней цепи, называется на¬пряжением разомкнутой цепи фотомагнитного эффекта, или фотомагнитной э. д. с.
2. Математическое моделирование фотоэлектромагнитного эффекта
В данной части работы, пользуясь основными формулами ФМЭ, я рассмотрю зависимость тока ФМЭ от напряженности магнитного поля, интенсивности света, параметров материала и геометрических параметров пластины.
В слабых магнитных полях ( ) ток ФМЭ увеличивается пропорционально напряженности магнитного поля. Это объясняется тем, что при воздействии сильного магнитного поля траектории носителей между столкновениями сильно искривлены и скорость диффузии меньше, чем при отсутствии магнитного поля. Это явление отражено в формуле, определяющей зависимость эффективных значений диффузионной длины и коэффициента диффузии от магнитного поля:
(1)
, где - время жизни, n, p – полная концентрация носителей, и - величины, определяемые формулой:
(2)
(3)
, где D – эффективный коэффициент биполярной диффузии.
Зависимость D и L от напряженности магнитного поля проявляется по-разному при малой и большой скорости поверхностной рекомбинации. При слабой поверхностной рекомбинации (S