Xreferat.com » Рефераты по радиоэлектронике » Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники

Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники

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, на­зываемый 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 парамет­ров неосновных носителей заряда в полупроводниках. Эти параметры полупроводниковых материалов играют первостепенную роль в полупроводниковой элек­тронике. В России и за рубежом начались ши­рокие 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 эф­фекта созданы приемники инфракрасного излучения и магнитометры.

Если полупроводник освещается излучением с энер­гией 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 возбужде­нием. При меньшей энергии фотона может наблюдаться генерация носителей одного знака как основных, так и неосновных, с примесных центров (монополярное воз­буждение). Генерируемые светом избыточные носи­тели вместе с равновес­ными участвуют в элек­тропроводности, могут диффундировать от одной точки образца к другой. Встречаясь друг с другом или с примесными цент­рами, избыточные носите­ли могут уничтожаться, рекомбинировать. Пове­дение избыточных носи­телей описывается таки­ми параметрами, как вре­мя жизни, диффузионная длина, скорость поверх­ностной рекомбинации и т. д. Эти параметры су­щественным образом опре­деляют работу таких широко распространенных полупро­водниковых приборов, как транзистор, диод, фотоэлемент и др. При этом оказывается, что действие этих приборов обусловлено избыточными неосновными носи­телями заряда, поэтому измерение параметров неоснов­ных носителей заряда является необходимым этапом в исследовании материалов, предназначенных для изго­товления приборов, а также в контроле качества этих материалов в процессе производства. Решить эту важ­ную 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 на­правлении, 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 вызы­вает появление электрического поля, направленного пер­пендикулярно 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 по­токам носителей заряда, отклоняет диффундирующие электроны и дырки в противоположные стороны, в ре­зультате 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 кон­цы образца замкнуть накоротко, то во внешней цепи по­течет 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 поверхно­сти в слое толщиной, равной диффузионной длине.

Если контакты разомкнуты, то на концах образца на­капливаются электрические заряды, что вызывает появ­ление электрического поля, направленного вдоль образ­ца. Это электрическое поле создает в образце ток, урав­новешивающий ток короткого замыкания. фотомагнит­ного эффекта. Поэтому возбужденный этим электри­ческим полем ток распределяется равномерно по глуби­не образца. Вблизи освещенной поверхности плотность тока, вызванного электрическим полем, по абсолютной величине меньше плотности фотомагнитного тока, вбли­зи 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 магнит­ном поле.

Разность потенциалов, наблюдаемая между концами образца при разомкнутой внешней цепи, называется на­пряжением 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<

(4) ,

где q – заряд электрона, g0 – число электронных пар, генерируемых светом за 1 секунду на единице поверхности, Ln – диффузионная длина электрона, и - соответственно, подвижности электронов и дырок, Н – напряженность магнитного поля, с – скорость света в вакууме.

При этом,

(5)

, где kb – постоянная Больцмана.

Находим g:

(6)

, где g - число электронных пар, генерируемых светом за 1 секунду в единице объема, - коэффициент поглощения, - квантовый выход, x2 принимаем равным Ln, т.к. основная часть тока течет в слое, приблизительно равном диффузионной длине.

Основным параметром фотоэлектромагнитного эффекта, пригодным для измерения, является ток короткого замыкания ФМЭ. Целью математического моделирования является нахождение оптимальных параметров для дальнейшей реализации данного эффекта в различных устройствах.

Исходные данные для математического моделирования:

q = 1,6∙10-19 Кл, = 6,5 м2/В∙с, =0,07 м2/В∙с, с = 3 ∙108 м/с, kb= 1,38 ∙10-23 Дж ∙ К-1, Т = 300 К, =10-3 с, = 1, = 103 см-1, = 5,55∙10-7 м.


IФМЭ,

А


H, A/м


Рис. 2. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при малой скорости поверхностной рекомбинации при различной интенсивности света J, фотонов/м2∙с: J1 = 1017, J2 = 2∙1017,

J3 = 3∙1017 .


Из графика видно, что при ток практически не увеличивается. Однако для выполнения данного условия необходимо создать большую напряженность магнитного поля – порядка 108 А/м, что не всегда выполнимо. Детектирование тока короткого замыкания ФМЭ можно проводить и при гораздо меньших напряженностях магнитного поля – 500…1000 А/м. При этом ток короткого замыкания изменяется в пределах 2…10 мкА. Такой режим более благоприятен для использования в приборах функциональной электроники.

IФМЭ, А


Н, А/м

Рис. 3. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при малой скорости поверхностной рекомбинации, J = 1017 фотонов/м2∙с.


IФМЭ, А


Н, А/м

Рис. 4. Семейство зависимостей тока короткого замыкания ФМЭ от магнитного поля при большой скорости поверхностной рекомбинации при различной интенсивности света J, фотонов/м2∙с: J1 = 1017, J2 = 2∙1017,

J3 = 3∙1017 .

При сильной поверхностной рекомбинации фотоэлектромагнитный ток оказывается меньше по величине:

(7)

В случае большой поверхностной рекомбинации ток ФМЭ сначала растет пропорционально магнитному полю, достигает максимума при и убывает обратно пропорционально Н в сильных магнитных полях. При малой поверхностной рекомбинации ток ФМЭ стремится к насыщению.

Зависимость эффекта от интенсивности света более проста, чем зависимость от напряженности магнитного поля. Ток ФМЭ пропорционален освещенности как при слабом, так и при сильном фотосигнале:

(8)

(9)

Однако в случае слабой и сильной освещенности отличаются такие параметры, как эффективная диффузионная длина и др., поэтому наклон прямой IФМЭ(J) различен при слабой и сильной освещенности.

В толстом образце по мере уменьшения коэффициента поглощения генерация становится все более равномерной по глубине, поверхностная концентрация носителей уменьшается и ФМЭ убывает согласно формуле:

(10)


3. Оценка перспектив использования фотоэлектромагнитного эффекта в устройствах функциональной электроники

Современная твердотельная электроника, являясь основным средством обработки информации, развивается по двум главным направлениям: интегральной электроники, или микроэлектроники, и функциональной электроники. Основные тенденции развития микроэлектроники обусловлены идеологией больших и сверхбольших интегральных схем. Развитие интегральных схем идет в направлении освоения субнаносекундных времен срабатывания и субмикронных размеров компонентов сверхвысоких уровней интеграции. В основе функциональной электроники лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определённую функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твёрдом теле. В этом случае локальному объёму твёрдого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется. Основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определённых функций.

Фотоэлектромагнитный эффект нашел основное применение в фотомагнитных детекторах (приемниках электромагнитного излучения), а именно, в приемниках инфракрасного излучения и фотомагнитных магнитометрах.

Основным элементом фотомагнитного приемника электромагнитного излучения с длиной волны 5—7 мкм является пластинка сурьмянистого индия. Выбор InSb как материала для фотомагнитного инфра­красного приемника обусловлен малой шириной запре­щенной зоны этого полупроводника (0,18 эв при ком­натной температуре), дающей возможность наблюдать собственный фотоэффект в указанной спектральной области, высокой подвижностью носителей, способст­вующей увеличению чувствительности прибора, и ма­лым временем жизни, делающим прибор быстродейст­вующим.

Фотомагнитный ИК приемник из InSb успешно при­меняется в научных исследованиях, промышленности. Он обладает высокой пороговой чувствительностью, не требует охлаждения и электрического питания, имеет малые размеры. Малая постоянная времени прибора позволяет применять прибор в ИК. спектроскопии быст­родействующих процессов. Фотомагнитный приемник может использоваться для контроля химических реак­ции, в оборудовании ракет, обладающих высокими ско­ростями, и т. п. Прибор полезен в основном для работы при комнатных температурах, при низких же темпера­турах, порядка азотных (77° К), характеристики фотомагнитного приемника уступают характеристикам ИК приемников, действие которых основано на фотопрово­димости и фотовольтаическом эффекте. Меньшее практи­ческое значение имеет фотомагнитный ИХ приемник из InAs.

Важнейшей характеристикой ИК приемника являет­ся порог чувствительности. Порог чувствительности (эквивалентный шум) измеряемый в ваттах, определяет минимальный фотосигнал, который можно зарегистрировать прибором, и равен мощности излучения, требуемой для того, чтобы фотомагнитный сигнал сравнялся со среднеквадратичным напряжением шумов, отнесенным к единичной полосе пропускания усилителя. Сравнение порога чувствительности ИК приемни­ков из InSb трех основных типов показывает, что при комнатной температуре все они почти одинаково чувствительны (см. таблицу 1). Низкое сопротивление р-п переходов из InSb делает невозможным их использова­ние при комнатной температуре. В фотомагнитных эле­ментах используются кристаллы значительно большей толщины, чем в фотосопротивлениях. Это технологиче­ское преимущество компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования магнитов. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников различных типов с площадкой 1Ч1 мм2 приведены в таблице:


Таблица 1. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников.

Материал Характеристики ИК приемников
На ФМЭ На ФП

На p-n переходе

InSb

1∙10-10 вт

20 Ом

0,9∙10-10 вт

60 Ом

1∙10-10 вт

0,15 Ом

InAs

3∙10-11 вт

20 Ом

0,5∙10-11 вт

70 Ом

0,6∙10-11 вт

60 Ом

PbS

4∙10-9 вт

200 Ом

5∙10-11 вт

500 Ом

0,9∙10-11 вт

100 Ом


Чувствительность прибора в различных частях спектра описывается спектральной характеристикой. Спектральная чувствительность детектора из InSb иллюстри­руется рис. 4. Длинноволновая граница характеристики равна 7,4 мк. При длинах воли выше этой величины энергии фотона слишком мала для генерации неоснов­ных носителей. При меньших длинах волн чувствитель­ность быстро растет, пока коэффициент поглощения не станет значительно меньше обратной толщины пластинки. Максимальная чувствительность прибора достигается при длине волны порядка 6 мкм.

Рис. 5. Спектральная чувствительность фотомагнитного приемника на InSb.


Для измерения же магнитного поля может быть приме­нен фотомагнитный магнитометр. Этот прибор, как и приемник ИК излучения, не требует приложения внеш­него электрического поля, имеет очень простое устройство и малые размеры, обладает малой инерционностью. Для измерения напряженности магнитного поля в фотомагнитных магнитометрах в основном используется ФМЭ в p-n переходе. Быстрое насыщение с ростом освещенности, слабая зависимость от температуры, пропорциональность магнитному полю делают этот эффект весьма удобным для использования в магнитометре.

Рис. 6. Многослойная n-p-n система, использующаяся для измерения магнитного поля.


Таком магнитометр может быть скон­струирован в виде полупроводниковой пластинки с боль­шим числом последовательно расположенных p-n пере­ходов (рис. 5).

Поверхность пластинки, перпендикулярная плоскостям переходов, освещается светом, интен­сивность которого

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: