ЭФФЕКТ ДЕМБЕРА. РАСЧЕТ ОБЪЕМНОЙ ФОТОЭДС

Работа добавлена: 2018-05-14






БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Приборостроительный факультет

Кафедра “Микро- и нанотехника”

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физика полупроводников и диэлектриков»

на тему

«ЭФФЕКТ ДЕМБЕРА. РАСЧЕТ ОБЪЕМНОЙ ФОТОЭДС»

Исполнитель: студент группы 11304115

Лазакович Е.П.

Руководитель: доцент, к.т.н.

Сернов С.П.

2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Если оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости, то имеет место собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками. Фотопроводимость, обусловленная переходами электронов между уровнями примеси и зонами, называется примесной фотопроводимостью.

Помимо фотопроводимости освещение полупроводникового кристалла может вызывать появление электродвижущей силы. Эдс, возникающую при неравномерном освещении полупроводника, называют э. д. с. Дембера.

В 1934 г. И.К. Кикоин и М.М. Носков открыли новый тип фото-э.д.с. Он возникает в полупроводнике, находящемся в магнитном поле, при освещении сильно поглощаемым светом. Это явление называется эффектом Кикоина -- Носкова.

На контакте металла с полупроводником происходит перераспределение зарядов, приводящее к возникновению в полупроводнике обедненного слоя, сопровождающегося искривлением зон полупроводника. Это искривление зон вблизи поверхности раздела называется барьером Шоттки. В наше время трудно найти такую область народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы.

Высоко обнаружительная способность фоторезисторов позволяет использовать их в устройствах дистанционного измерения незначительных местных перегревов различных объектов, в приборах для спектрального анализа состава различных материалов, в системах световой сигнализации и защиты.

1.ЭФФЕКТ ДЕМБЕРА. РАСЧЕТ оБЪЕМНОЙ ФОТОЭДС

  1. Фотоэлектрические явления в полупроводниках

Фотоэлектрические явления – это электрические явления, происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитной энергии в веществе происходит всегда отдельными порциями – квантами (ф отонами), равными ηω (η – постоянная Планка , ω– частота излучения). Фотоэлектрические явления возникают, когда энергия поглощённого фотона затрачивается на квантовый переход электрона в состояние с большей энергией. В зависимости от соотношения между энергией фотонов и характерными энергиями вещества (энергией возбуждения атомов и молекул, энергией их ионизации, работой выхода электронов из твёрдого тела и т.п.) поглощение электромагнитного излучения может вызывать разные фотоэлектрические явления. Если энергии фотона хватает лишь для возбуждения атома, то может возникнуть изменение диэлектрической проницаемости вещества. Если энергия фотона достаточна для образования неравновесных носителей заряда в твёрдом теле – электронов проводимости и дырок, то изменяется электропроводность тела. В неоднородных телах, например в полупроводниках  с неоднородным распределением примесей, в частности в области электронно-дырочного перехода, вблизи контакта двух разнородных полупроводников

Полупроводниковый гетеропереход контакта полупроводник – металл, или при неоднородном облучении, а также в полупроводниках, помещенных в магнитное поле, возникает электродвижущая сила (ФотоЭДС). Фотопроводимость и фотоЭДС могут возникать также при поглощении фотонов электронами проводимости, в результате чего увеличивается их подвижность.

Если ηω достаточно велика для ионизации атомов и молекул газа, то происходит фотоионизация. Когда эта энергия поглощается электронами жидкости или твёрдого тела, если последние могут достичь поверхности тела и, преодолев существующий на ней потенциальный барьер, выйти в вакуум или другую среду, то возникает фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлектронную эмиссию часто называют внешним фотоэффектом. В отличие от него, все фотоэлектрические явления, обусловленные переходами электронов из связанных состояний в квазисвободные внутри твёрдого тела, объединяются термином внутренний фотоэффект.

В полупроводниках и диэлектриках электронов проводимости мало, поэтому уже небольшого числа фотонов достаточно для заметного увеличения количества электронов или их энергии. Вследствие этого в телах не очень малых размеров фотоэлектрические явления возникают при поглощении в них гораздо меньшей энергии электромагнитного излучения, чем та, которая необходима для наблюдения термоэлектрических явлений. В металлах из-за очень высокой электропроводности внутренний фотоэффект не наблюдается и возникает только фотоэлектронная эмиссия.[1].

  1. Фотопроводимость

Направим на полупроводник пучок света интенсивностью J0 (рис.1.1а).

Рисунок 1.1а-Облучаемый световым потоком полупроводник

Проникая внутрь полупроводника, свет постепенно поглощается, и его интенсивность уменьшается.

Поглощаясь внутри полупроводника, свет может вызывать появление избыточных носителей, увеличивающих общую концентрацию свободных зарядов. На (рис. 1.1б) стрелками 1 показано возбуждение электронов проводимости и дырок при собственном поглощении света полупроводником. Фотон с энергией hυ, равной или большей ширины запрещенной зоны Eg,переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. Образующиеся при этом пары электрон - дырка являются свободными и участвуют в создании проводимости полупроводника.

Рисунок 1.1б-Возбуждение электронов

Для возбуждения примесных атомов фотон должен обладать энергией hυ≥Еп, где Еп - энергия активации этих атомов. На (рис.-1.1б) примесными уровнями являются Е1 и Е2. Возбуждение электронов с этих уровней показано стрелками 2 и 3.

Таким образом, если:

– для собственных полупроводников

- для примесных полупроводников

то в полупроводнике образуются добавочные носители тока и его проводимость повышается.

Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретенная полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, называется темновой проводимостью, так как она отвечает проводимости затемненного полупроводника.

В соответствии с тем, что под действием света избыточные носители могут возникать как вследствие возбуждения собственных, так и примесных носителей заряда, различают собственную и примесную фотопроводимости.

Для чистых полупроводников энергия активации Eg лежит в пределах 1-З эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют Eg порядка десятых и даже сотых долей электрон-вольтов. Красная граница фотопроводимости для них лежит в инфракрасной области спектра.

Примесный фотоэффект возможен, очевидно, лишь в том случае, если примесные уровни Е1 и Е2 заполнены электронами, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси ТS. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо, как правило, охлаждать, причем, до тем более низких температур, чем больше их граничная длина волны.[2]

  1. Эффект Дембера

Эффект Дембера - явление в физике полупроводников, состоящее в возникновении электрического поля и ЭДС в однородном полупроводнике при его неравномерном освещении за счет разницы подвижностей электронов и дырок.

Время установления стационарного значения ЭДС Дембера при постоянном освещении определяется временем установления диффузионно-дрейфового равновесия, близким к максвелловскому времени релаксации. Нестационарный эффект Дембера, вызываемый импульсным освещением, используется для генерации терагерцового излучения. Наиболее сильный эффект Дембера наблюдается в полупроводниках с узкой запрещенной зоной и высокой подвижностью электронов, например в InAs, InSb.

Если на поверхности полупроводника падает электромагнитное излучение (свет), энергия квантов которого достаточна для генерации фотоносителей, при этом коэффициент поглощения достаточно велик, то электромагнитное излучение будет поглощаться в основном в приповерхностном слое полупроводника, где и будут создаваться фотоносители. Данное явление относится к случаю неоднородного освещения полупроводника. Электроны и дырки будут диффундировать в область с меньшей концентрацией носителей заряда, которая характеризуется минимальной освещенностью. В результате возникает фотоЭДС, пропорциональная разности коэффициентов диффузии носителей заряда противоположного знака. В состоянии термодинамического равновесия фотоЭДС компенсирует разность коэффициентов диффузии электронов и дырок. Эксперимент по наблюдению эффекта Дембера представлен на (рис.1.2).

Рисунок 1.2- Установка для наблюдения эффекта Дембера

 Это явление открыто немецким физиком X. Дембером (Н. Dember; 1931); теория разработана Я. И. Френкелем (1933), немецким физиком X. Фрёлихом (1935), Е. М. Лифшицем и Л. Д. Ландау (1936)..

Выражение для фотоЭДС Дембера имеет вид:

                                       (1.1)

Dn–коэффициент диффузии электронов;

Dp- коэффициент диффузии дырок;

µnподвижность электронов;

µр– подвижность дырок;

l- расстояние от освещаемой поверхности до места, где уже нет неравновесных носителей;

Вводя обозначение  , учитывая соотношение ЭйнштейнаeDn,pn,pkBT и беря интеграл, получим:

(1.2)

Эффект Дембера используется в исследованиях физических свойств полупроводников. Техническое приложение эффекта Дембера не реализовано в силу малости фотоэдс и невозможности его прямого измерения, т. к. его невозможно отделить от вентильной фотоэдс.[3].

  1. Расчет объемной фотоЭДС

Если полупроводник осветить светом с длиной волны, соответствующей области собственного поглощения, то вблизи поверхности образца, где происходит поглощение света, возникнут электронно-дырочные пары. Эти носители заряда диффундируют из освещенной области в глубь полупроводника. Поскольку электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то электроны подвинуться дальше в глубь кристалла, чем дырки. Эта разница в диффузии носителей заряда приведет к тому, что поверхность полупроводника окажется положительно заряженной по отношению к его объему. Возникшее электрическое поле направлено так, что оно ускоряет дырки, имеющие меньшую подвижность, и замедляет подвижные электроны, поэтому суммарный ток  равен нулю.

Объемная ЭДС, возникшая в освещенном полупроводнике вслдествие различия в коэффициентах диффузии электронов и дырок, получила название ЭДС Дембера.

Вычисление ЭДС Дембера провидем в предположении, что в полупроводнике мало ловушек и нет поверхностной рекомбинации. Для этого необходимо решить уравнения :

                             (1.3)

                              (1.4)

ГдеD- напряженность поля Дембера и ∆n=∆p – концентрация избыточных носителей заряда.

В стационарных условиях полная плотность тока равна нулю. Так какeDPpkT иeDnnkT, то

   (1.5)

И для напряженности поля получим выражение

                                              (1.6)

Гдеn=n0+∆n иp=p0+∆p.

Проинтегрируем (1.6) по х от поверхности (х=0) до такой точки, где концентрация неравновесных носителей обращается в нуль. Это расстояние должно быть порядка нескольких длин диффузии (х=3L). Так как ϭ=е(nµn+pµp), а ∆ϭ=е(µn+µp)∆n , то

                                           (1.7)

Гдеbnp.

Следовательно,

                              (1.8)

На расстоянииx=3L все неравновесные носители заряда прорекомбинируют, а поэтому . У поверхности полупроводника :

Поэтому:

                                          (1.9)

Из (1.8) следует, что ЭДС Дембера тем больше, чем сильнее различаются подвижности электронов и дырок. ЭДС Дембера обычно очень мала, она немного большеkT/e. При .[4].

  1. Область применения

Эффект Дембера используется в исследованиях физических свойств полупроводников. Таких как: подвижность носителей заряда,

  1. Методика измерения. Описание установки

заключение

список использованных источников

1.рывкин

2.https://studopedia.ru/3_11127_fotoprovodimost-poluprovodnikov.html

3.https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1477282

4.ШАЛИМОВА

5.




Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Эффект широкозонного «окна». Этот эффект позволяет с минимальными потерями вывести излучение

2. Расчет быстроходной ступени. Расчет на прочность валов и определение опорных реакций 17

3. Парниковый эффект, его причины и последствия

4. Бинауральный эффект и интегральная локализация

5. . Бинауральный эффект и интегральная локализация Наличие у человека двух ушей разнесенны.

6. Расчет эксплуатации месторождения

7. Расчет фланцевого соединения

8. Расчет привода электродвигателя

9. .Б. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ .

10. Проектировочный расчет вала на статическую прочность