Реферати українською » Радиоэлектроника » Фотоелектромагнітним ефект і його застосування в пристроях функціональної електроніки


Реферат Фотоелектромагнітним ефект і його застосування в пристроях функціональної електроніки

Міністерство Освіти РФ

Володимирський Державний Університет

Кафедра конструювання і технології радіоелектронних засобів

Дослідницька робота

на задану тему:

>Фотоелектромагнитний ефект і застосування в пристроях функціональної електроніки

з дисципліни

Спеціальні глави фізики

>Виполнил: 

ст. грн.РЭ-101

>Солодов Д. У.

Перевірив:   

>Устюжанинов У. М.  

Володимир 2003


Зміст

1. Фізичне описфотоелектромагнитного ефекту …...……..…3

2. Математичного моделюванняфотоелектромагнитногоеффекта…6

3. Оцінка перспектив використанняфотоелектромагнитного ефекту в пристроях функціональноїелектроники………..….……………………..11

 


1. Фізичне описфотоелектромагнитного ефекту

>Фотоелектромагнитний ефект, називаемий такожфотомагнитоелектрическим,фотогальваномагнитним ефектом і ефектомКикоина — Носкова відкрито 1934 р.Кикоиним іНосковим і пояснений тоді ж Френкелем. Близько 20 років з'ясувалося, що вимірФМЭ і пов'язаних із нею ефектів є дуже зручним методом визначення часу життя та іншихпарамет рів неосновних носіїв заряду в напівпровідниках. Ці параметри напівпровідникових матеріалів грають першорядну роль напівпровідниковоїелектронике. У Росії її за кордоном почалисяширокие й інтенсивні дослідженняфотомагнитного і можливостей її використання. Була побудована докладна теорія ефекту, заміряний ефект в німеччині, кремнії,антимониде індію і багатьох інших матеріалах, розроблено методику визначеннярекомбинационних постійних, з урахуваннямфотомагнитного еффекта створено приймачі інфрачервоних променів і магнітометри.

Якщо напівпровідник висвітлюється випромінюванням зенергией фотона, перевищує ширину забороненої зони, то під впливом випромінювання електрони переходять із валентної зони до зони провідності, т. е. генеруютьсяелектроннодирочние пари. Генерація пар вільних носіїв заряду шляхом зовнішнього на напівпровідник називається біполярнимвозбуждением. При меншою енергії фотона можна спостерігати генерація носіїв одного знака як основних, і неосновних, з домішкових центрів (>монополярное візбуждение).Генерируемие світлом надлишкові носители разом ізравновесними беруть участь уелектропроводности, можуть дифундувати від однієї точки зразка в іншу. Зустрічаючись друг з одним чи зпримесними цент раме, надлишкові носіть чи зможуть знищуватись,рекомбинировать.Поведение надлишкових носителей описується таки ми параметрами, яквре мя життя,диффузионная довжина, швидкість поверхностной рекомбінації тощо. буд. Ці параметри существенним чиномопре роблять роботу таких дуже поширенихполупроводникових приладів, як транзистор, діод, фотоелемент та інших. Виявляється, що "дія цих приладів зумовлено надмірниминеосновними носителями заряду, тому вимір параметрівнеосновних носіїв заряду є необхідною етапом у дослідженні матеріалів, виділені наизготовления приладів, соціальній та контроль знань цих матеріалів процесі виробництва. Розв'язати цюважную завдання допомагаєфотоелектромагнитний ефект.

>Рис. 1 Виникненняфотоелектромагнитного ефекту в напівпровідникової пластині, де М – напруженість магнітного поля, l – довжина пластини,d – її товщина, x1 і x2  - осі координат.

>Фотоелектромагнитний ефект полягає у появу фото е. буд. з. чифототока в освітленої напівпровідникової платівці, вміщеній в магнітне полі, паралельне його поверхні.Фотоелектромагнитная е. буд. з. зокрема у на правлінні, перпендикулярному променю світла, і магнітному полю. Ефект пояснюється ось чим чином.

Нехай світло вихоплює поверхню платівки, перпендикулярну осі x2 (мал.1). Поблизу освітленої поверхні утворюється надлишок електронів і дірок щодо їх рівноважних концентрацій при даної температурі. Носії заряду дифундують вглиб зразка зі швидкостями, величини яких, визначаються коефіцієнтами дифузії електронів і дірок. Якщо коефіцієнти дифузії електронів і дірок, пропорційніподвижностям, нерівні одна одній, то мері наближення дотемновой поверхні надлишкова концентрація ближчих носіїв заряду перевищує надлишкову концентрацію більш повільних, щовизивает поява електричного поля, спрямованого переклпендикулярно площині платівки. Це електричне полі уповільнює насичення глиб зразка ближчих носіїв заряду і прискорює рух більш повільних носіїв заряду. У стаціонарному режимі рівні потоки електронів і дірок, перпендикулярні до платівки, не створюють електричного струму.

Магнітне полі, спрямоване перпендикулярно по струмів носіїв заряду, відхиляєдиффундирующие електрони і дірки в супротивники, в результате що їхні струми у бік x1 складаються, створюючи сумарний струм, щільність якого загасає у міру віддалення від освітленої поверхні внаслідок рекомбінації надлишкових носіїв заряду. Якщо кінци зразка замкнутинакоротко, то у зовнішній ланцюга по тече струм короткого замиканняфотомагнитного ефекту. У разі короткого замикання струм у кожному точці зразка направлений у те ж бік, причому переважна більшість струму тече поблизу освітленоїповерхности в шарі завтовшки, рівної дифузійної довжині.

Якщо контакти розімкнуті, то, на кінцях зразка накапливаются електричні заряди, що викликаєпоявление електричного поля, спрямованого вздовж образца. Це електричне полі створює в зразку струм,уравновешивающий струм короткого замикання.фотомагнитного ефекту. Тому збуджений цимелектрическим полем струм розподіляється рівномірно по глиби не зразка. Поблизу освітленої поверхні щільність струму, викликаного електричним полем, по абсолютну величину менше щільностіфотомагнитного струму,вблизитемновой поверхні — перевищує її. У результаті зразку виникає який циркулює струм, показаний на рис. 1 пунктиром.Циркулирующий струм був експериментально виявлено з допомогоюфотомагнитомеханического ефекту, який перебуває у появі моменту сил, діючих на напівпровідник в магнітном полі.

Різниця потенціалів, що спостерігається між кінцями зразка при розімкнутої зовнішньої ланцюга, називається напряжением розімкнутої ланцюгафотомагнитного ефекту, чифотомагнитной е. буд. з.

2. Математичного моделюванняфотоелектромагнитного ефекту

У цьому частини роботи, користуючись основними формуламиФМЭ, я розгляну залежність струмуФМЭ від напруженості магнітного поля, інтенсивності світла, параметрів матеріалу і геометричних параметрів пластини.

У слабких магнітних полях () струмФМЭ збільшується пропорційно напруженості магнітного поля. Це тим, що з вплив сильного магнітного поля траєкторії носіїв між зіткненнями сильно скривлені і швидкість дифузії менше, аніж за відсутності магнітного поля. Це відбито у формулі, визначальною залежність ефективних значень дифузійної довжини і коефіцієнта дифузії від магнітного поля:

                                      (1)                                                       

, де - тривалість життя, n,p – повна концентрація носіїв, і - величини, зумовлені формулою:

                                           (2)

                                                                 (3)  

 , де D – ефективний коефіцієнт біполярної дифузії.

Залежність D і L від напруженості магнітного поля проявляється по-різному при малої і великий швидкості поверхневою рекомбінації. За слабкої поверхневою рекомбінації (>S<<D/L) отримуємо:

                                           (4) ,

деq – заряд електрона, g0 – число електронних пар,генерируемих світлом за 1 секунду на одиниці поверхні, Ln –диффузионная довжина електрона, і - відповідно, рухливості електронів і дірок, М – напруженість магнітного поля, з – швидкість світла у вакуумі.  

         У цьому,

                                                                                                        (5)

, деkb – сталаБольцмана.

Знаходимо g:

                                                                                         (6)

, де g - число електронних пар,генерируемих світлом за 1 секунду в одиниці обсягу, - коефіцієнт поглинання, - квантовий вихід, x2 приймаємо рівним Ln,т.к. переважна більшість струму тече до шарі, приблизно рівному дифузійної довжині.

Основним параметромфотоелектромагнитного ефекту, придатним виміру, є струм короткого замиканняФМЭ. Метою математичного моделювання є перебування оптимальних параметрів для подальшої реалізації цього ефекту у різних пристроях.

Вихідні дані для математичного моделювання:

>q = 1,610-19 >Кл, = 6,5 м2/>Вс, =0,07 м2/>Вс, з = 3 108 м/с,kb= 1,38 ∙10-23 Дж До-1, Т = 300 До, =10-3 з, = 1, = 103 див-1,  = 5,55∙10-7 м.

                    I>ФМЭ,

                     А

                         H,A/м

>Рис. 2. Сімейство залежностей струму короткого замиканняФМЭ від магнітного поля при малій швидкості поверхневою рекомбінації при різної інтенсивності світлаJ,фотонов/м2з:J1 = 1017,J2 = 2∙1017,

>J3 = 3∙1017 .

З графіка видно, що з  струм мало збільшується. Проте задля виконання цього умови необхідно створити велику напруженість магнітного поля – порядку 108А/м, що не реально.Детектирование струму короткого замиканняФМЭ можна й при набагато меншихнапряженностях магнітного поля – 500…1000А/м. У цьому струм короткого замикання змінюється не більше 2…10мкА. Такий режим більш сприятливий від використання в приладах функціональної електроніки.

     

I>ФМЭ, А        

                                                                                                             

                                                                                                 М,А/м

>Рис. 3. Сімейство залежностей струму короткого замиканняФМЭ від магнітного поля при малій швидкості поверхневою рекомбінації,J = 1017 >фотонов/м2з.

                   I>ФМЭ, А

                                                                                             М,А/м

>Рис. 4. Сімейство залежностей струму короткого замиканняФМЭ від магнітного поля за великої швидкості поверхневою рекомбінації при різної інтенсивності світлаJ,фотонов/м2з:J1 = 1017,J2 = 2∙1017,

>J3 = 3∙1017 .

При сильної поверхневою рекомбінаціїфотоелектромагнитний струм виявляється менше за величиною:

                                              (7)

Що стосується великий поверхневою рекомбінації струмФМЭ спочатку зростає пропорційно магнітному полю, сягає максимуму при і убуває назад пропорційно М в сильних магнітних полях. При малої поверхневою рекомбінації струмФМЭ прагне насиченню.

Залежність ефекту від інтенсивності світла простіша, ніж залежність від напруженості магнітного поля. СтрумФМЭ пропорційний освітленості як із слабкому, і при сильномуфотосигнале:

                                                                                         (8)

                                                                                (9)

Однак якщо слабкій економіці та сильної освітленості відрізняються такі параметри, як ефективнадиффузионная довжина та інших., тому нахил прямий I>ФМЭ(>J) різний при слабкій економіці та сильної освітленості.

У товстому зразку зі зменшенням коефіцієнта поглинання генерація стає дедалі рівномірної за глибиною, поверхнева концентрація носіїв зменшується іФМЭ убуває відповідно до формулі:

                                              (10)



 

3. Оцінка перспектив використанняфотоелектромагнитного ефекту в пристроях функціональної електроніки

Сучасна твердотільна електроніка, будучи основним засобом обробки інформації, розвивається за двом головних напрямів: інтегральної електроніки, чи мікроелектроніки, і функціональної електроніки. Основні тенденції розвитку мікроелектроніки обумовлені ідеологією великих і надвеликих інтегральних схем. Розвиток інтегральних схем іде у напрямі освоєннясубнаносекундних часів спрацьовування і субмікронних розмірів компонентів надвисоких рівнів інтеграції. У основі функціональної електроніки лежить принцип фізичної інтеграції, дозволяє реалізувати певну функцію апаратури не залучаючи стандартних базових елементів, базуючись безпосередньо на фізичних явищах в твердому тілі. І тут локального обсягу твердого тілапридаются такі властивості, потрібних до виконання даної функції, отже проміжний етап уявлення бажаної функції як еквівалентній схеми непотрібен. Змістом фізичної інтеграції є чи значно знизився рівень часткисхемотехники і динамічнихнеоднородностей до виконання певних функцій. 

>Фотоелектромагнитний ефект знайшов основне використання уфотомагнитних детекторах (приймачах електромагнітного випромінювання), саме, в приймачах інфрачервоних променів іфотомагнитнихмагнитометрах.

Основним елементомфотомагнитного приймача електромагнітного випромінювання із довжиною хвилі 5—7мкм є платівкасурьмянистого індію. ВибірInSb як матеріалу дляфотомагнитногоинфра червоного приймача обумовлений малої шириноюзапрещенной зони цього напівпровідника (0,18 ев при комунатной температурі), котрий дає можливість спостерігати власний фотоефект у зазначеній спектральною області, високою рухли-вістю носіїв,способствующей збільшення чутливості приладу, і малолим часом життя, які роблять приладбистродействующим.

>Фотомагнитний ІК приймач зInSb успішно при змінюється у наукові дослідження, промисловості. Вона має високої порогової чутливістю, не вимагає охолодження і електричного харчування, має малі розміри. Мала стала часу приладу дозволяє застосовувати прилад в ІК. спектроскопіїбистродействующих процесів.Фотомагнитний приймач можна використовувати контролю хімічнихреакции, в устаткуванні ракет, які мають високимискоростями, тощо. п. Прилад корисний переважно до роботи при кімнатних температурах, при низьких ж темпера турах, порядку азотних (77° До), характеристикифотомагнитного приймача поступаються характеристикам ІК приймачів, які грунтується нафотопроводимости іфотовольтаическом ефект.Меньшеепрактическое значення має тутфотомагнитний ЇХ приймач зInAs.

Найважливішою характеристикою ІК приймача являє ся поріг чутливості. Поріг чутливості (еквівалентний шум) вимірюваний вваттах, визначає мінімальнийфотосигнал, що можна зареєструвати приладом, дорівнює потужності випромінювання, необхідної у тому, щобфотомагнитний сигнал зрівнявся зі середньоквадратичним напругою шумів, що належать до одиничної смузі пропускання підсилювача. Порівняння порога чутливості ІКприемников зInSb з трьох основних типів показує, що з кімнатної температурі усі вони майже однаково чутливі (див. таблицю 1). Низька опір >р-п переходів зInSb унеможливлює їхиспользование при кімнатної температурі. Уфотомагнитних еліментах використовуються кристали значно більшою товщини, ніж уфотосопротивлениях. Цетехнологическое перевагу компенсує незручності, пов'язані із необхідністю використання магнітів. Поріг чутливість проблеми та внутрішньо опір ІК приймачів різних типів з майданчиком11 мм2 наведені у таблиці:

Таблиця 1. Поріг чутливість проблеми та внутрішньо опір ІК приймачів.

Матеріал Характеристики ІК приймачів
НаФМЭ НаФП Наp-n переході
>InSb

1∙10-10 ут

20Ом

0,9∙10-10 ут

60Ом

1∙10-10 ут

0,15Ом

>InAs

3∙10-11 ут

20Ом

0,5∙10-11 ут

70Ом

0,6∙10-11 ут

60Ом

>PbS

4∙10-9 ут

200Ом

5∙10-11 ут

500Ом

0,9∙10-11 ут

100Ом

Чутливість приладу у різних частинах спектра описується спектральною характеристикою.Спектральная чутливість детектора зInSbиллюстрируется рис. 4.Длинноволновая кордон характеристики дорівнює 7,4 км. При довжинах волі вище цієї величини енергії фотона занадто низька для генераціїнеосновних носіїв. При менших довжинах хвильчувствительность швидко зростає, поки коефіцієнт поглинання стане значно менше зворотної товщини платівки. Максимальна чутливість приладу характеризується довжині хвилі порядку 6мкм.

>Рис. 5.Спектральная чутливістьфотомагнитного приймача наInSb.

Для виміру ж магнітного поля то, можливо приміненфотомагнитний магнітометр. Цей прилад, як і приймач ІК випромінювання, не вимагає докладаннявнеш нього електричного поля, має дуже простий пристрій і маленькі розміри, має малоїинерционностью. Для виміру напруженості магнітного поля була вфотомагнитнихмагнитометрах переважно використовуєтьсяФМЭ вp-n переході. Бистре насичення зі зростанням освітленості, слабка залежність від температури, пропорційність магнітному полю роблять цей ефект дуже зручним від використання вмагнитометре.

>Рис. 6.Многослойнаяn-p-n система,использующаяся для виміру магнітного поля.

>Таком магнітометр то, можливосконструирован як напівпровідникової платівки із більшим числом послідовно розташованихp-n пере ходів (рис. 5).

 Поверхня платівки, перпендикулярна площинам переходів, висвітлюється світлом,интенсивность якого має величину порядку інтенсивности сонячного світла. Під час такої освітленості прилад з типовими параметрами напівпровідника перебуває у стані насичення, і вихідний сигнал залежить від інтенсивності світла. У цьомуфотовольтаические ефекти на сусідніхp-n переходах взаємно знищуються, афотомагнитние складаються, іФМЭ зокрема у чистому вигляді, а чи не і натомість первинної фотоедс. Використання багатошарової структури дозволяє як збільшитивольтовую чутливість приладу, а й знизити поріг чутливості. Прилад простий в експлуатації, не вимагає електричногопитания, стабілізації й вимірювання освітленості імонохроматизации світла.


         Список використаної літератури

1. Равич Ю. І., «>Фотомагнитний ефект в напівпровідниках і застосування», 1972.

2.informost, «Функціональна електроніка»,

>Милинкис Б. М., Щука А. А., 2002

3.uran.donetsk.ua, Кузнєцов А. У, «Функціональна електроніка», 2001

4.phys.nsu, Кравченка А. Ф., Фізичні основи інформаційних технологій, 2002

5.Амброзяк З., «Конструкція й технологія напівпровідникових фотоелектричних приладів», 1973

6.Устюжанинов У. М., Фролова Т. М. «>Нестационарние ірелаксационние ефекти в напівпровідниках», Володимир, 2002

7.Ривкин З. М., «Фотоелектричні явища в напівпровідниках», 1963

8.ispu, «Фізика твердого тіла», Єгоров В.М., 2002


Схожі реферати:

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація