Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники (стр. 1 из 3)

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<<D/L) получаем:

(4) ,

где q – заряд электрона, g₀ – число электронных пар, генерируемых светом за 1 секунду на единице поверхности, L_n – диффузионная длина электрона,

и - соответственно, подвижности электронов и дырок, Н – напряженность магнитного поля, с – скорость света в вакууме.

При этом,

(5)

, где k_b – 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 L_n, 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.