Всероссийская открытая интернет-выставка достижений учащихся

Всероссийская открытая интернет-выставка достижений учащихся.

Название работы:

ПОВЫШЕНИЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Название раздела:

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ И РЕФЕРАТЫ

Номинация:

ФИЗИКА

Автор:

Муниципальное общеобразовательное бюджетное

учреждение «Троицкая гимназия имени »

Республика Калмыкия, Целинный район, село Троицкое

10 класс

Руководитель:

, учитель физики высшей категории, Лауреат премии ПНПО, дипломант всероссийского конкурса «Учитель года России-2009»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………...3

I. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ…………………………………………………4

1.1. Что такое полупроводники?.............................................................................................4

1.2. Структура полупроводников……………………………………………………………5

1.3. Фотопроводимость полупроводниковых материалов…………………………………5

1.4. Применение фотопроводимости………………………………………………………..6

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА………..8

2.1. Экспериментальная установка………………………………………………………….8

2.2. Методика эксперимента…………………………………………………………………8

III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………………………………………………………10

Список используемой литературы…………………………………………………………….12

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т. п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

В начале 50 - х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом Германия и кремния в радиоэлектронике). Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

Особенности электрофизических свойств полупроводников обу­словили их широкое применение для создания самых различных приборов. Полупроводниковые приборы используются для выпрям­ления переменного тока (диоды), преобразования или смещения частот, усиления и генерации электрических колебаний, преобразования тепловой энергии и энергии излу­чения в электрическую (термоэлементы и фотоэлементы), для пре­образования электрической энергии в световую (фосфоры, светоиз­лучающие диоды, лазеры).

В основе работы каждого прибора лежат определенные физиче­ские процессы и явления. Разработка полупроводниковых материалов, создание на их основе новых видов приборов, научные исследования в этой области, постановка высококачественного производства полупровод­никовых приборов и интегральных схем— все это возможно при условии серьезных знаний в области физики полупроводников.

Одними из широко используемых полупроводниковых материалов в области оптоэлектроники являются полупроводники из группы А2В6, и в частности, кристаллы CdS.

Цель: исследовать образцы кристаллов CdS на предмет зависимости их фотоэлектрических свойств от облучения коротковолновым лазером.

Задачи:

- ознакомиться со способами воздействия на фоточувствительность полупроводников;

- исследовать изменения фоточувствительности образцов от времени и температуры облучения;

- выяснить причины изменения фототока в полупроводнике.

I. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ

1.1.Что такое полупроводники?

Все вещества по электрофизическим свойствам могут быть разделены на три больших класса: металлы, полупроводники и диэлектрики. Наиболее просто, казалось бы, классифицировать вещества по удельному электрическому сопротивлению р.

При переходе от одного класса вещества к другому значения удельного сопротивления перекрываются. Поэтому значения удельного сопротивления не могут служить в качестве однозначного критерия для классификации веществ. Металлы и полупроводники имеют различного вида температурные зависимости удельного со­противления и удельной электрической проводимости. У металлов с ростом температуры р увеличивается пропорционально абсолютной температуре Т. Для металлов характерным является наличие отрицательного температурного коэффициента удельной электрической проводимости. У полупроводников характер температурной зависимости удельного сопротивления и проводимости иной. Казалось бы, что теперь вопрос о различии полупроводников и металлов решен знаком температурного коэффициента удельной проводимости. Однако выбор его в качестве определяющего критерия осложнен тем, что в некотором интервале температур полупроводник может вести себя подобно металлу. Поэтому по знаку температурного коэффициента к удельной проводимости не всегда можно установить принадлежность вещества к классу полупроводников.

Ответить на этот вопрос можно, если проследить, как изменяется проводимость вещества при понижении температуры. Удельная проводимость металлов при этом растет, что возможно лишь потому, что в нем независимо от температуры всегда имеются свободные электроны. У полупроводников, наоборот, удельная проводимость уменьшается при понижении температуры. Из этого следует, что в полупроводнике свободные носители заряда возникают в результате теплового возбуждения. Эти носители заряда называют тепловыми или равновесными. Доказано, что появление свободных носителей заряда в полупроводнике имеет место также при освещении светом, облучении ядерными частицами и т. д. Возникающие в этих случаях носители заряда принято называть неравновесными. Процесс образования как равновесных, так и неравновесных носителей заряда очень сильно зависит от структуры полу­проводникового материала и наличия в нем примеси.

Следовательно, полупроводники — это такие материалы, которые при комнатной температуре имеют удельную проводимость в интервале от 10-10 до 104 Ом-1·см-1, зависящую в сильной степени от структуры вещества, вида и количества примеси и от внешних условий: температуры, освещения, облучения ядерными частицами электрического и магнитного полей.

Существует, как известно, два типа проводников электрического тока: электронные и ионные. Металлы — электронные проводники. У ионных проводников ток переносится ионами вещества, вследствие чего состав ионного проводника меняется при прохождении через него электрического тока. Типичные представители ионных проводников — электролиты.

Полупроводниковые вещества также могут быть как электронными, так и ионными. К электронным полупроводникам относится огромное количество самых различных веществ. Полупроводниками являются как простые вещества: бор В, кремний Si, фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, , так и многие сложные химические соединения. Кроме неорганических веществ полупроводниковыми свойст­вами обладают также и некоторые органические вещества, такие как фталоцианины и полициклические ароматические углеводороды (например, бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, коронен и др.).

1.2. Структура полупроводников

В чистом полупроводнике, не содержащем примесей, осуществляется электронная и дырочная электропроводность. Следовательно, электрический ток в таком полупроводнике (собственном) определяется двумя составляющими — электронным и дырочным токами, текущими в одном направлении.

Электропроводность собственного полупроводника можно объяснить, если исходить из энергетических представлений. При сближении атомов на расстояние примерно 10-8 см, энергетический уровень валентных электронов превращается в зону. Эта зона носит название валентной. Из вышележащего уровня возбуждения атомов образуется зона, которую называют зоной проводимости. Каждая из этих зон занимает определенную область энергии. Зоны дозволенных энергий отделены друг от друга интервалом, называемым запрещенной зоной, или энергетической щелью, энергия которой обозначается как Еg (Приложение ).

По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону Eg >3 эВ. К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону. У типичных полупроводников Eg лежит в пределах 0,5-3 эВ. Так, например у Германия Eg = 0,66 эВ; у кремния Eg = 1,08 эВ; у сульфида кадмия( CdS) Eg = 2,5 эВ.

1.3 Фотопроводимость полупроводниковых материалов

Направим на полупроводник пучок света интенсивностью I0. Проникая внутрь полупроводника, свет постепенно поглощается, и его интенсивность уменьшается. Поглощаясь внутри полупроводника, свет может вызывать появление избыточных носителей, увеличивающих общую концентрацию свободных зарядов. Фотон с энергией hv, 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 (Приложение ).

Для возбуждения атомов полупроводника фотон должен обладать энергией hv не меньшей, чем энергия активации соответствующих атомов. Таким образом, если hvi>Eg — для собственных полупроводников, hv 2> Еп - для примесных полупроводников (Еп - энергия активации примесных атомов), то в полупроводнике образуются добавочные носители тока и его проводимость повышается (Приложение ).

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. Таким образом, из условия возбуждения примесных атомов фотона можно определить красную границу этой проводимости, т. е. максимальную длину волны λ, при которой свет является еще фотоэлектрически активным:

λ0 = ch/Eg — для собственных полупроводников, λn — ch/Eп — для примесных полупроводников. Здесь с - скорость света, h – постоянная Планка.

Как было сказано ранее, для чистых полупроводников энергия активации Eg лежит в пределах 1—3эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра.

1.4.Применение фотопроводимости

Фотосопротивления (Приложение ). Зависимость фотопроводимости ряда полу­проводников от освещенности используется в фотосопротивлениях, получивших широкое практическое применение. Оно состоит из тонкого полупроводникового слоя, нанесенного на изолирующую подложку, металлических электродов, посредством которых фотосопротивление включается в цепь, и защитного лакового покрытия. Наиболее чувствительные фотосопротивления изготовляются из сернистого кадмия (CdS), у которого фотопроводимость в 105— 106 раз превы­шает темновую проводимость. Широкое распространение получили фо­тосопротивления из сернистого свинца (PbS), чувствительного к далекой инфракрасной области спектра. Используются и другие полу­проводниковые материалы.

Основным преимуществом фотосопротивления перед вакуумными фотоэлементами является высокая световая чувствительность. Недостатком фотосопротивлений является их инерционность, т. е. их зависимость от времени после включения или выключения света.

Электрография. Внутренний фотоэффект в полупроводниках широ­ко используется в так называемой электрической фотографии, или электрографии, сущность которой состоит в следующем. На лист бумаги наносится тонкий слой высокоомного полупроводника (обычно ZnO). Перед фотографией пленка посредством газового разряда заряжается отрицательным зарядом. При проектировании на такую бумагу изображения фотографируемого объекта поверхност­ный заряд с сильно освещенных частей стекает значительно быстрее, чем со слабо освещенных, вследствие чего после экспозиции на бумаге возникает электрическое изображение этого объекта. Для проявления электрического изображения бумагу обдувают слабым потоком заряженных частиц специальной сухой краски. Оседая в тех местах бу­маги, на которых сохранился отрицательный заряд, эти частицы про­являют изображение. Для фиксирования изображения бумагу нагре­вают до температуры, при которой частицы краски расплавляются и прочно закрепляются на бумаге.

Основное достоинство электрографии по сравнению с обычной фо­тографией состоит в исключении процессов проявления и фиксирова­ния изображения с помощью химических реактивов. Это позволяет резко повысить скорость фотографирования, доведя время фотогра­фирования всего лишь до десятка секунд. Но электрография пока усту­пает обычной фотографии по точности и тонкости воспроизведения объекта.

Кристаллические счетчики. Помимо света внутренний фотоэффект может быть вызван облучением полупроводника потоком частиц — электронов, ионов, a-частиц и т. д. Такие частицы, проникая в глубь полупроводника, генерируют на своем пути свободные носители заряда и тем самым повышают его электропроводность, а при неизменном на­пряжении, приложенном к полупроводнику, увеличивают силу тока в цепи. Так как число генерируемых носителей пропорционально числу частиц, падающих на полупроводник, то по изменению силы тока в цепи можно судить о числе частиц, попадающих в полупроводниковый кри­сталл. Это позволяет конструировать на данном принципе кристал­лические счетчики частиц. Кристаллические счетчики частиц уже в настоящее время достигли высокой степени совершенства. Их широко используют в ядерных ис­следованиях, космической технике, медицине, в дозиметрии и т. д. В ближайшее время они превратятся, вероятно, в основной прибор для регистрации и спектрометрии излучений.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1.Экспериментальная установка

Экспериментальная установка для измерения спектров фотопроводимости состоит из оптической и электрической систем (Приложение ).

Оптическая система включает в себя источник света (2), светофильтр (4), объективы (3), монохроматор (5) и поляризатор (6). Все указанные приборы и принадлежности установлены на оптической скамье.

Электрическая система состоит из исследуемого образца (7), установленного на оптической скамье, источника питания (8), электрометрического усилии регистрирующего устройства – самопишущего потенциометра (10).

В качестве источника возбуждения в данной установке применяется лампа СИ10 – 300У с ленточным телом накала (металлическая лента). Изменение яркости свечения лампы (2) осуществляется с помощью источника питания (1). Для поглощения инфракрасного света из спектра излучения лампы (2), а также для устранения наложения порядков дифракционной решетки монохроматора (5), используется светофильтр СЗС –, область пропускания которого лежит в пределах от 300 до 700 нм. Для выделения монохроматического излучения и его развертки по спектру применяется монохроматор МДР – 3 (5), диспергирующим элементом которого является дифракционная решетка (600 шт/мм). Для поляризации монохроматического излучения в установке используется поляризатор (6), плоскость поляризации которого может изменяться относительно оптической оси кристалла С. Исследуемый образец устанавливается в держатель. Источник питания (8) служит для приложения тянущего напряжения к исследуемому полупроводнику через омические электроды. Электрометрический усилитель типа Услужит для измерения и усиления сигнала, который регистрируется самопишущим потенциометром (10). Регистрация данных эксперимента производится на диаграммной ленте самописца (10) (Приложение ).

2.2.Методика эксперимента

Измерение спектров краевой фотопроводимости кристаллов CdS при комнатной температуре (Т = 300 К) производилось в интервале 480 – 540 нм. Ширина входной и выходной щели монохроматора устанавливалась не шире 0,4 мм. Скорость развертки монохроматора составляла величину 40 нм/мин. При измерении фотопроводимости спектры регистрировались как при движении в коротковолновую, так и в длинноволновую стороны. Регистрируемые токи составляли величину около 10–8 – 10–7 А. Электроды для подведения тока к полупроводнику создавались механическим нанесением In – Ga-вой пасты на поверхность полупроводника.

Величина электрического поля варьировалась в интервале от 1 до 300 В. При возбуждении фотопроводимости, зондирующий луч света падал на кристалл, не освещая контакты. Кристаллы СdS представляют собой прозрачные кристаллы желтого цвета (Приложение ).

В эксперименте исследовались образцы толщиной в несколько десятых долей миллиметра и имеющих плоскую зеркальную поверхность. Длина и ширина кристаллов составляла несколько миллиметров.

Термическое воздействие на образец осуществлялось излучением полупроводникового лазера мощностью 100 мВт и длиной волны генерации 405 нм (Приложение ). Продолжительность облучения полупроводника лазерным излучением варьировалась от единиц до нескольких сотен секунд.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе выполнения экспериментов нами были исследованы несколько образцов кристаллов CdS на предмет зависимости их фотоэлектрических свойств от облучения образцов лазером. Облучение лазером приводит к нагреву полупроводника. Это было подтверждено ранее при исследовании спектра пропускания облучаемого лазером кристалла. Отметим, что при облучении лазерный луч фокусировался на поверхность исследуемого кристалла до размеров пучка с диаметром менее 1 мм. Было показано, что температура образца при таком облучении возрастает до 250 градусов Цельсия.

Спектры фотопроводимости одного из исследованных образцов при комнатной температуре можно увидеть в Приложении № 6. Из данного рисунка наблюдается значительное изменение спектрального распределения фототока кристалла с ростом дозы облучения. Ярким эффектом в данном случае является появление максимума фототока в области 510 нм. На начальном этапе облучения происходит рост фоточувствительности в собственной области спектра, а затем его падение и появление максимума фототока в области 510 нм. Видно, что при достаточно больших дозах облучения максимум фототока в области 510 нм начинает спадать. На следующем графике Приложения № 6 показана зависимость фоточувствительности данного образца, которая пропорциональна площади под спектральной кривой, от времени облучения. Видно, что фоточувствительность полупроводника сначала возрастает, а затем, при временах более 1, 5 мин., идет на спад.

В Приложении № 7 показаны результаты исследований для второго образца CdS. Аналогично, облучение кристалла лазером приводит к росту его фоточувствительности преимущественно в спектральной области 510 нм. На другом графике показана зависимость фоточувствительности этого же образца от времени облучения. Данный эксперимент показал, что рост дозы облучения ведет к повышению фоточувствительности с ее насыщением при временах, превышающих 150 с.

Анализируя представленные результаты, можно сказать, что облучение кристаллов CdS лазером с длиной волны генерации 405 нм ведет к росту фоточувствительности. Однако, при больших временах облучения в одном случае наблюдался спад фоточувствительности, а в другом - ее насыщение.

Кроме этого, аналогичные эксперименты были поставлены на более чем двадцати образцах разных партий, и во всех случаях наблюдалось сходное поведение. При этом образцы повышали свою относительную фоточувствительность по порядку величины, незначительно отличавшуюся друг от друга. В целом, для всех исследованных образцов интервал роста относительной фоточувствительности лежал в пределах от 5 до 30 (Приложение ).

Выдержка кристаллов в темноте в течение длительного времени (до нескольких суток) показала, что наведенная лазерным облучением фоточувствительность снижается, но незначительно (примерно в 1,5-2 раза), сохраняя повышенную относительную фоточувствительность.

Исследования, проведенные ранее, показали, что термическая обработка кристаллов CdS приводит к дефектообразованию кристаллической решетки полупроводника. Поэтому, появление максимума фототока в области 510 нм, после облучения кристалла лазером, можно объяснить тем, что в пределах запрещенной зоны создаются локальные уровни энергии, связанные с дефектами решетки. Из литературы известно, что такими дефектами являются донорные состояния, расположенные вблизи дна зоны проводимости (Приложение ).

Таким образом, метод, применяемый нами в эксперименте, является простым, быстрым и удобным способом термообработки кристаллов, с целью повышения их фоточувствительности.

Выводы.

1. Показано, что облучение кристаллов CdS лазером с длиной волны 405 нм приводит к росту фоточувствительности.

2. В ряде образцов большие времена облучения приводят к спаду фоточувствительности.

3. Рост фоточувствительности кристаллов после облучения наблюдается в основном в спектральной области 510 нм.

4. Выдержка облученных кристаллов в темноте в течение длительного времени сохраняет наведенную лазером фоточувствительность.

5. Максимум фототока, наблюдаемый в области 510 нм, связан с дефектами кристаллической решетки.

6. Появление дефектов решетки после облучения полупроводника лазером связано с локальным нагревом образца.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1., , и др. Тр. ФИАН. 1987, т.177, C.142-171.

2.Вавилов B.C., , Ниязова образования и миграции дефектов в полупроводниках. Наука, М., 198с.

3. Епифанов твердого тела. М. «Высшая школа», 1977

4. , ФТТ, 1959, т.1, в.3, с.

5. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 19с.

ПРИЛОЖЕНИЯ