Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат

Министерство Образования РФ

Владимирский Муниципальный Институт

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Исследовательская работа

на тему:

Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах многофункциональной электроники

по дисциплине

Особые 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 многофункциональной электроники Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат………..….……………………..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 комфортным способом определения времени жизни и Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат других парамет­ров неосновных носителей заряда в полупроводниках. Эти характеристики полупроводниковых материалов играют главную роль в полупроводниковой элек­тронике. В Рф и за рубежом начались ши­рокие и насыщенные исследования фотомагнитного эффекта и способностей его использования. Была построена подробная теория эффекта, измерен эффект в германии, кремнии, антимониде индия и Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат многих других материалах, разработана методика определения рекомбинационных неизменных, на базе фотомагнитного эф­фекта сделаны приемники инфракрасного излучения и магнитометры.

Если полупроводник освещается излучением с энер­гией фотона, превосходящей ширину нелегальной зоны, то под действием излучения электроны перебегают из валентной зоны в зону проводимости, т. е. генерируются электроннодырочные пары Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат. Генерация пар свободных носителей заряда методом наружного воздействия на полупроводник именуется биполярным возбужде­нием. При наименьшей энергии фотона может наблюдаться генерация носителей 1-го знака как главных, так и неосновных, с примесных центров (монополярное воз­буждение). Генерируемые светом лишниие носи­тели совместно с равновес­ными участвуют в элек­тропроводности, могут Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат диффундировать от одной точки эталона к другой. Встречаясь вместе либо с примесными цент­рами, лишниие носите­ли могут уничтожаться, рекомбинировать. Пове­дение лишних носи­телей описывается таки­ми параметрами, как вре­мя жизни, диффузионная длина, скорость поверх­ностной рекомбинации и т. д. Эти характеристики су­щественным образом опре­деляют Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат работу таких обширно всераспространенных полупро­водниковых устройств, как транзистор, диодик, фотоэлемент и др. При всем этом оказывается, что действие этих устройств обосновано сверхизбыточными неосновными носи­телями заряда, потому измерение характеристик неоснов­ных носителей заряда является нужным шагом в исследовании материалов, созданных для изго­товления устройств, также в контроле свойства этих материалов в Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат процессе производства. Решить эту важ­ную задачку помогает фотоэлектромагнитный эффект.

Рис. 1 Появление фотоэлектромагнитного эффекта в полупроводниковой пластинке, где Н – напряженность магнитного поля, l – длина пластинки, d – ее толщина, x1 и x2 - оси координат.

Фотоэлектромагнитный эффект состоит в возникновении фото э. д. с. либо фототока в освещенной полупроводниковой пластинке, помещенной Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат в магнитное поле, параллельное ее поверхности. Фотоэлектромагнитная э. д. с. наблюдается в на­правлении, перпендикулярном лучу света и магнитному полю. Эффект разъясняется последующим образом.

Пусть свет падает на поверхность пластинки, перпендикулярную оси х2 (рис.1). Поблизости освещенной поверхности появляется излишек электронов и дырок относительно их сбалансированных концентраций при данной Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат температуре. Носители заряда диффундируют в глубь эталона со скоростями, величины которых, определяются коэффициентами диффузии электронов и дырок. Если коэффициенты диффузии электронов и дырок, пропорциональные подвижностям, не равны друг дружке, то по мере приближения к темновой поверхности лишная концентрация более стремительных носителей заряда превосходит сверхизбыточную концентрацию более неспешных Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат, что вызы­вает возникновение электронного поля, направленного пер­пендикулярно плоскости пластинки. Это электронное поле замедляет проникновение в глубь эталона более стремительных носителей заряда и ускоряет движение более неспешных носителей заряда. В стационарном режиме равные потоки электронов и дырок, перпендикулярные к поверхности пластинки, не делают электронного тока.

Магнитное поле, направленное перпендикулярно по Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат­токам носителей заряда, отклоняет диффундирующие электроны и дырки в обратные стороны, в ре­зультате чего их токи в направлении x1 складываются, образуя суммарный ток, плотность которого затухает по мере удаления от освещенной поверхности вследствие рекомбинации лишних носителей заряда. Если кон­цы эталона замкнуть накоротко, то во наружной Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат цепи по­течет ток недлинного замыкания фотомагнитного эффекта. В критериях недлинного замыкания ток в каждой точке эталона ориентирован в одну и ту же сторону, при этом основная часть тока течет поблизости освещенной поверхно­сти в слое шириной, равной диффузионной длине.

Если контакты разомкнуты, то на концах эталона на­капливаются электронные Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат заряды, что вызывает появ­ление электронного поля, направленного повдоль образ­ца. Это электронное поле делает в образчике ток, урав­новешивающий ток недлинного замыкания. фотомагнит­ного эффекта. Потому возбужденный этим электри­ческим полем ток распределяется умеренно по глуби­не эталона. Поблизости освещенной поверхности плотность тока, вызванного электронным полем, по Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат абсолютной величине меньше плотности фотомагнитного тока, вбли­зи темновой поверхности — превосходит ее. В итоге в образчике появляется циркулирующий ток, показанный на рис. 1 пунктиром. Циркулирующий ток был экспериментально найден при помощи фотомагнитомеханического эффекта, состоящего в возникновении момента сил, действующих на полупроводник в магнит­ном поле.

Разность потенциалов, наблюдаемая меж концами эталона Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат при разомкнутой наружной цепи, именуется на­пряжением разомкнутой цепи фотомагнитного эффекта, либо 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, характеристик материала и геометрических характеристик пластинки.

В слабеньких магнитных полях ( ) ток ФМЭ Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат возрастает пропорционально напряженности магнитного поля. Это разъясняется тем, что при воздействии сильного магнитного поля линии движения носителей меж столкновениями очень искривлены и скорость диффузии меньше, чем при отсутствии магнитного поля. Это явление отражено в формуле, определяющей зависимость действенных значений диффузионной длины и коэффициента диффузии от магнитного Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат поля:

(1)

, где - время жизни, n, p – полная концентрация носителей, и - величины, определяемые формулой:

(2)

(3)

, где D – действенный коэффициент биполярной диффузии.

Зависимость D и L от напряженности магнитного поля проявляется по-разному при малой и большой скорости поверхностной рекомбинации. При слабенькой поверхностной рекомбинации (S<

(4) ,

где q – заряд электрона, g0 – число электрических пар Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат, 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 всем этом,

(5)

, где kb – неизменная Больцмана.

Находим g:

(6)

, где g - число электрических пар, генерируемых светом за 1 секунду в единице объема, - коэффициент Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат поглощения, - квантовый выход, x2 принимаем равным Ln , т.к. основная часть тока течет в слое, примерно равном диффузионной длине.

Главным параметром фотоэлектромагнитного эффекта, применимым для измерения, является ток недлинного замыкания ФМЭ. Целью математического моделирования является нахождение хороших характеристик для предстоящей реализации данного эффекта в разных устройствах.

Начальные данные для Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат 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 недлинного замыкания ФМЭ от магнитного поля при малой скорости поверхностной рекомбинации при различной интенсивности света J, фотонов/м2 ∙с: J Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат1 = 1017 , J2 = 2∙1017 ,

J3 = 3∙1017 .

Из графика видно, что при ток фактически не возрастает. Но для выполнения данного условия нужно сделать огромную напряженность магнитного поля – порядка 108 А/м, что не всегда выполнимо. Детектирование тока недлинного замыкания ФМЭ можно проводить и при еще наименьших напряженностях магнитного поля – 500…1000 А/м. При всем этом ток Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат недлинного замыкания меняется в границах 2…10 мкА. Таковой режим более благоприятен для использования в устройствах многофункциональной электроники.

IФМЭ , А

Н, А/м

Рис. 3. Семейство зависимостей тока недлинного 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 недлинного замыкания Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат 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 поначалу вырастает пропорционально магнитному полю, добивается максимума при и убывает назад пропорционально Н в сильных Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат магнитных полях. При малой поверхностной рекомбинации ток ФМЭ стремится к насыщению.

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

(8)

(9)

Но в случае слабенькой и сильной освещенности отличаются такие характеристики, как Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат действенная диффузионная длина и др., потому наклон прямой IФМЭ (J) различен при слабенькой и сильной освещенности.

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

(10)

3. Оценка перспектив использования фотоэлектромагнитного эффекта в устройствах многофункциональной Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат электроники

Современная твердотельная электроника, являясь главным средством обработки инфы, развивается по двум основным фронтам: интегральной электроники, либо микроэлектроники, и многофункциональной электроники. Главные тенденции развития микроэлектроники обоснованы идеологией огромных и сверхбольших интегральных схем. Развитие интегральных схем идет в направлении освоения субнаносекундных времен срабатывания и субмикронных размеров компонент сверхвысоких уровней интеграции. В базе многофункциональной Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат электроники лежит принцип физической интеграции, позволяющий воплотить определённую функцию аппаратуры без внедрения стандартных базисных частей, основываясь конкретно на физических явлениях в твёрдом теле. В данном случае локальному объёму твёрдого тела придаются такие характеристики, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежный шаг представления хотимой функции в виде Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат эквивалентной схемы не требуется. Основной чертой физической интеграции является отсутствие либо существенное понижение удельного веса схемотехники и внедрение динамических неоднородностей для выполнения определённых функций.

Фотоэлектромагнитный эффект отыскал основное применение в фотомагнитных сенсорах (приемниках электрического излучения), а конкретно, в приемниках инфракрасного излучения и фотомагнитных магнитометрах.

Главным элементом фотомагнитного приемника электрического излучения Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат с длиной волны 5—7 мкм является пластинка сурьмянистого индия. Выбор InSb как материала для фотомагнитного инфра­красного приемника обоснован малой шириной запре­щенной зоны этого полупроводника (0,18 эв при ком­натной температуре), дающей возможность следить свой фотоэффект в обозначенной спектральной области, высочайшей подвижностью носителей, способст­вующей повышению чувствительности прибора Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат, и ма­лым временем жизни, делающим прибор быстродейст­вующим.

Фотомагнитный ИК приемник из InSb удачно при­меняется в научных исследовательских работах, индустрии. Он обладает высочайшей пороговой чувствительностью, не просит остывания и электронного питания, имеет малые размеры. Малая неизменная времени прибора позволяет использовать прибор в ИК. спектроскопии быст­родействующих Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат процессов. Фотомагнитный приемник может употребляться для контроля хим реак­ции, в оборудовании ракет, владеющих высочайшими ско­ростями, и т. п. Прибор полезен в главном для работы при комнатных температурах, при низких же темпера­турах, порядка азотных (77° К), свойства фотомагнитного приемника уступают чертам ИК приемников, действие которых основано на фотопрово Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат­димости и фотовольтаическом эффекте. Наименьшее практи­ческое значение имеет фотомагнитный ИХ приемник из InAs.

Важной чертой ИК приемника являет­ся порог чувствительности. Порог чувствительности (эквивалентный шум) измеряемый в ваттах, определяет малый фотосигнал, который можно зарегистрировать прибором, и равен мощности излучения, требуемой для того, чтоб фотомагнитный сигнал сравнялся со среднеквадратичным Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат напряжением шумов, отнесенным к единичной полосе пропускания усилителя. Сопоставление порога чувствительности ИК приемни­ков из InSb 3-х главных типов указывает, что при комнатной температуре они все практически идиентично чувствительны (см. таблицу 1). Низкое сопротивление р-п переходов из InSb делает неосуществимым их использова­ние при комнатной температуре. В фотомагнитных эле­ментах Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат употребляются кристаллы существенно большей толщины, чем в фотосопротивлениях. Это технологиче­ское преимущество компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования магнитов. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников разных типов с площадкой 1×1 мм2 приведены в таблице:

Таблица 1. Порог чувствительности и внутренне сопротивление ИК приемников.

Материал

Свойства ИК приемников

На ФМЭ

На ФП

На p Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат-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∙10-1 1 вт

20 Ом

0,5∙10-1 1 вт

70 Ом

0,6∙10-1 1 вт

60 Ом

PbS

4∙10-9 вт

200 Ом

5∙10-1 1 вт

500 Ом

0,9∙10-1 1 вт

100 Ом

Чувствительность прибора в разных частях диапазона описывается спектральной чертой. Спектральная чувствительность сенсора из InSb иллюстри­руется рис. 4. Длинноволновая граница свойства равна 7,4 мк. При длинах воли выше этой величины энергии фотона очень мала для генерации неоснов­ных носителей. При наименьших длинах волн чувствитель­ность стремительно вырастает, пока коэффициент поглощения Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат не станет существенно меньше оборотной толщины пластинки. Наибольшая 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 просит приложения внеш­него электронного поля, имеет Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат очень обычное устройство и малые размеры, обладает малой инерционностью. Для измерения напряженности магнитного поля в фотомагнитных магнитометрах в главном употребляется ФМЭ в p-n переходе. Резвое насыщение с ростом освещенности, слабенькая зависимость от температуры, пропорциональность магнитному полю делают этот эффект очень комфортным для использования в магнитометре.

Рис. 6. Мультислойная n Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат-p-n система, использующаяся для измерения магнитного поля.

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

Поверхность пластинки, перпендикулярная плоскостям переходов, освещается светом, интен­сивность которого имеет величину порядка интенсив­ности солнечного света. При таковой освещенности Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат прибор с обычными параметрами полупроводника находится в состоянии насыщения, и выходной сигнал не находится в зависимости от интенсивности света. При всем этом фотовольтаические эффекты на примыкающих p-n переходах взаимно уничтожаются, а фотомагнитные складываются, и ФМЭ наблюдается в чистом виде, а не на фоне первичной фото эдс. Внедрение мультислойной структуры Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат позволяет не только лишь прирастить вольтовую чувствительность прибора, да и понизить порог чувствительности. Прибор прост в эксплуатации, не просит электронного пита­ния, стабилизации и измерения освещенности и монохроматизации света.


Перечень использованной литературы

1. Равич Ю. И., «Фотомагнитный эффект в полупроводниках и его применение», 1972.

2. www.informost.ru, «Функциональная электроника»,

Милинкис Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат Б. М., Щука А. А., 2002

3. www.uran.donetsk.ua, Кузнецов А. В, «Функциональная электроника», 2001

4. www.phys.nsu.ru, Кравченко А. Ф., Физические базы информационных технологий, 2002

5. Амброзяк С., «Конструкция и разработка полупроводниковых фотоэлектрических приборов», 1973

6. Устюжанинов В. Н., Фролова Т. Н. «Нестационарные и релаксационные эффекты в полупроводниках», Владимир, 2002

7. Рывкин С. М., «Фотоэлектрические Фотоэлектромагнитный эффект и его применение в устройствах функциональной электроники - реферат явления в полупроводниках», 1963

8. www.ispu.ru, «Физика твердого тела», Егоров В.Н., 2002



formula-lichnosti-stranica-9.html
formula-opredeleniya-bankrotstva-edvarda-altmana-v-1968g.html
formula-polno-veroyatnosti-i-formula-bajesa.html