Determinarea lățimii benzii interzise a metodei optice semiconductor
Scopul acestei lucrări este de a studia procesul de absorbție a luminii în materialul semiconductor pentru caracteristicile critice semiconductoare definition-TION - bandgap.
Reprezentarea Model de conductivitatea semiconductorului
Cea mai importantă caracteristică a semiconductorului, pentru a determina proprietățile sale de ghidare electrice, optice și altele, este bandgap. Pentru a înțelege fizica-agenție face sens de această caracteristică, să ia în considerare modelul de bază reprezentările despre conductivitatea semiconductorilor ca un exemplu de semiconductori covalente din grupa 4 (germaniu Ge. Si Si).
Între doi atomi de semiconductori se produce co-valent obligațiuni efectuate perechi de electroni aparținând ambelor atomi. Dacă toate legăturile covalente sunt umplute, atunci electronii liberi în cristal, nu, și, prin urmare, conductivitatea electrică a cristalului copii Bu zero. Fig. 1 oferă o reprezentare bidimensională a zabrele covalenta a semiconductorului (Si). La T = 0 ° K de electroni liberi în rețeaua nu este prezentă, deoarece toți electronii de valență participă la comunicații. Fluctuațiile mișcarea termică a atomilor la temperaturi mai ridicate pot conduce la ruperea legăturilor covalente în unele electroni locuri de cristal și de eliberare, care pot participa acum în conducție. Prin urmare, pentru a deveni un electron de conducție de valență de electroni, este necesar să se asigure o anumită energie de activare (), egală cu energia de disociere legătură covalentă.
După retragerea de electroni din ultima conexiune rămâne neumplut (prezentată cu linie întreruptă în fig. 1). În acest sens o neumplut poate muta legate elec-Tron cu relațiile învecinate. Deplasarea electronilor asociate obligațiunilor vacante goale într-o anumită direcție este echivalentă cu mișcarea de obligațiuni neocupate încărcate pozitiv în direcția opusă. Astfel, la legăturile break covalente în semi-conductor având două mecanisme de conductivitate: electronilor de conducție liberi se deplasează împotriva câmpului electric și conductivitatea legăturilor de valență de electroni neumplute, care pot fi spot de echivalență descris ca mișcare în direcția câmpului electric încărcat pozitiv obligațiuni neumplute găuri la caracter obligatoriu. conductivitate electrică completă ar trebui să fie compus din componente de electroni și gaura.
Semiconductori în care conductivitatea de tam-tam-pocăiește prin ruperea legăturilor covalente în propria lor re-zăbrele, numit propriul său. Concentrația propriu semi-tors de electroni liberi este găuri de concentrare.
Concentrația de purtători de sarcină în propria lor semiconductorii crește odată cu creșterea temperaturii. Mai mult decât atât, este mai mică energia de activare într-un semiconductor, cu atât mai mare concentrația de purtători de sarcină la o temperatură dată. Crearea conductibilitatea intrinsecă poate fi pro-ilustrat prin schema energetică (Fig. 2). Stările de energie de valență (conectate) electrice formează o zonă nou, numit banda de valență. La nivel dia gram indicat de limita superioară a zonei. Pentru a deveni un electron liber, el trebuie să informeze Ener-Gia.
Setul de niveluri de energie ale energiilor libere ale electronilor de conducție formează o zonă, numită banda de conducție. Intervalul de energie, determinată de relația-sheniem:
Aceasta se numește o bandă interzisă, și reprezintă o limită inferioară a benzii de conducție. Ecuația (1) arată că bandgap determinat energia fisionabil pur și simplu ruperea legăturilor covalente.
Rețineți că existența benzilor de energie, Koto-secară introdus mai sus în legătură cu o energie de disociere legătură covalentă poate fi justificată în mod riguros teoretic doar în rezolvarea problemei mișcării kvantovomehanichekoy electrice pe în domeniul periodic al cristalului. Soluția acestei probleme arată că atomii vecine obține atât de aproape unul de altul, atunci când formarea unui corp solid, care coji de electroni exterior nu îndeplinesc numai, ci chiar se suprapun. Ca urmare, caracterul de mișcare a electronilor schimba brusc: electronii de la nivelul de energie al unui anumit atom, semi-chayut posibilitatea de a deplasa fără cheltuieli de co-responsabil pentru nivelul atomilor adiacenți și astfel liber să se deplaseze de-a lungul solid de energie.
In loc de orbitali atomici individuale sunt formate selectivitate număr și subshell atomi individuali sunt combinate într-un singur cristal întreg colectiv - zone. Calculele arată că banda de energie constă dintr-o multitudine de nivele de energie, distanțate la comanda cursa distanta de 10-23 eV. Completarea electroni banda de energie are loc în conformitate cu principiul de excluziune: la fiecare nivel în zona poate fi nu mai mult de doi electroni.
Fig. 3 prezintă banda de energie de umplere electroni la T = 0 K.
În acest caz, toate statele din banda de valenta plin. Acest lucru înseamnă că toți electroni de valență cu Niemann participa la formarea legăturii covalente și electroni liberi nu - nu conductivitate. Deoarece temperatura-TION mai mare a electronilor excitați dăruite termic și procedează la banda de conducție, în timp ce în zona Valen-tnoj produce stare liberă - gaura.
Uzat conducție discuție calitativă a semiconductorilor intrinseci arată că aceasta este definită în primul rând, doresc să înființeze-bandgap. În această sarcină determinarea experimentală a lățimii zonei interzise este cel mai important.
În această lucrare, un semi-lățime a zonei interzise a supraconductor este determinată printr-o metodă optică. Să considerăm o placă plană paralelă a semiconductorului pe care lumina monocromatică cade I0 intensitate. O parte din lumina incidentă este reflectată de placa, o parte-rm-absorbant în ea și partea I. Intensitatea trece prin placa. Se poate arăta că pentru placa-shi subțire Rina d au următoarea ecuație
în care: - coeficientul de absorbție a luminii.
Ecuația (2) poate fi rescrisă sub forma:
Luați în considerare modul în care schimbările în coeficienții de absorbție-semiconductor trația când se schimbă lungimea de undă a luminii incidente. Ia-un semiconductor cu o mare suficient de plumb cauza. Cuvintele „o valoare suficient de mare de“, care, la temperatura camerei într-un semiconductor practic nici purtători liberi a început-lac. În limba zonă, acest lucru înseamnă că toate nivelurile de banda de valență complet completa, Nena, și toate nivelurile de banda de conducție este complet gratuit.
Fig. 4 prezintă o structură de bandă de semiconductoare. În această figură, săgeata arată cuantele luminii incidente pe semiconductor-ghid, în care lungimea săgeții este numeric egală cu energia fotonilor. Quanta de lumină absorbită de electroni-tronurile, în timp ce energia lor este crescut cu magnitudinea energiei fotonice (EI). Acest lucru înseamnă că electronul reluările de la un nivel scăzut la un nivel mai ridicat de energie. Cu toate acestea, nu toate tranzițiile sunt posibile cu energie a crescut. Faptul că, în conformitate cu principiul de excluziune, coș-tranzițiile sunt posibile numai între nivelurile de umplut și libertățile-guvernamentale, adică. E. Tranzitii din banda de valență la nivelurile banda de conducție.
Să considerăm, de exemplu, un electron cu energie și energia cuantică a luminii (prezentată în fig. 4 de săgeată). Quantum de energie nu va fi absorbită de absorbția de electroni înseamnă ca creșterea energiei electronilor la o valoare a valorii + și ultimul nivel les constă în diferența de bandă (vezi. Fig. 4). Este ușor de observat că energia cuantică a luminii nu va fi absorbită. Absorbția începe numai atunci când dos energiei fotonice Tignet valoare. Când acest lucru este umplut cu detectarea nivelului de electroni trece la nivelul liber. Desigur, în cazul în care cuantumul va avea energie, aceasta va fi absorbită. Astfel, absorbția luminii în procesul de semiconductoare are un prag: atâta timp cât energia de absorbție a luminii cuantice este absent în cazul în care aceeași, atunci există o creștere rapidă a absorbției.
Revenind acum la coeficientul de absorbție. Absorbția-absență este o cantitate mică, și absorbția durerii Choe înseamnă o valoare mai mare. Apoi, în cazul în care vă construi o relație pe lungimea de undă a luminii incidente, ar trebui să fie așa până-înfășurată în Fig. 5.
Într-adevăr, energia unui foton de lumină este legată de lungimea de undă a relației:
unde h - constanta lui Planck;
c - viteza luminii.
Pentru energie cuantică mare este mic și de absorbție de absente.
Aceasta corespunde partea dreapta a curbei din fig. 5. ajunge îndată o valoare, astfel încât
apoi începe o creștere rapidă a absorbției. Aceasta înseamnă că o dependență pauză ascuțită () (vezi. Fig. 5) are loc la o =.
Acum, este ușor de înțeles ideea care sta la baza acestei lucrări.
Formula (3) arată că, în cazul în care cota experimental determinat I0 intensitatea incidentului. int last-sivnost I și grosimea plăcii d. este posibil să se calculeze VE-masca. Facem acest lucru pentru mai multe lungimi de undă și de a construi dependența coeficientului de absorbție a lungimii de undă a luminii incidente HN.
Găsim această dependență, așa cum se arată în Fig. 5, apoi substituind valoarea obținută în formula (5) decalaj divide-band definită.
Măsurătorile sunt efectuate pe un standard optic sub-bor „SPECTRON-361.“ Eșantionul este o placă subțire sau un semiconductor având o grosime d = 4 # 903 ;. 10-4 m sau transparent dielectric grosimea plăcii d = 2,8 # 903 ;. 10-3 m "SPECTRON-361" aparat pentru obținerea monochromat lumina -cheskogo folosind fenomenul dispersiei luminii. O rază de lumină albă de la lămpile incandescente convenționale se duce la o prismă de dispersie, care se descompune în spectrul fasciculului. Tuning prin sistemul optikomehanicheskoy pe una sau alta a porțiunii prismei poate fi alimentată în lumina monocromatică probă de o anumită lungime de undă. Regis-trarea a fasciculului transmis produsă de o celulă foto-.
Eșantionul este montat în prima cutie speciala der zhatelya, care este plasat în camera de probă, găsirea Xia în partea dreaptă sus a dispozitivului.
Ar trebui să fie luate în considerare la efectuarea lucrărilor. prin aceea că butonul de comutare eșantion semiconductoare bandă de lungime de undă, ar trebui să fie situată mustăților-tanovlena în camera de probă la „punctul roșu“.
1. Conectați cablul de alimentare conectați dispozitivul la o priză cu o tensiune de 220V.
2. Comutator vert «rețea» (rețea), situată în stânga-ing în partea de jos. Instrument de scris să se încălzească timp de 10-15 minute.
3. Rotiți comutatorul «Lampa» (Light), situate în același loc. Acest lucru ar trebui să se aprindă o lampă cu incandescență în partea din dreapta sus a dispozitivului. Aparatul este gata pentru utilizare. Uț-nat inginer, un eșantion (semiconductor sau di-electrician) instalate în camera.
4. Deschideți capacul camerei de mostre și cu capacul deschis pentru a face următoarele:
Comutatorul 4.1 selector este pus în poziția de «întuneric curent»,
4.2 Zero set de instrumente, situat pe partea stângă a panoului frontal, în poziția zero, prin intermediul mânerului «închis curent».
5. Închideți capacul camerei de probă. În viitor, pentru a se evita erorile de stilou «închis curent» nu atingeți. După această setare, unitatea este gata de măsurare.
Măsurătorile sunt efectuate în următoarea ordine:
6. Mâner «Wave lungime» set de lungimi de undă. lungime de undă Scale este dată în nm (1 nm = 10-9 m = 10 # 506; ). Root măsurare = 1000 nm și, de fiecare dată reducând lungimea de undă de 50 nm. În regiunea în care începe să crească brusc, măsurătorile sunt efectuate la 2 nm.
Atenție! Trebuie să se asigure faptul că mânerul este re-excepție gama de lungimi de undă, care se află în camera de probă este setat la „red dot“. În cazul în care o creștere bruscă începe în zona = 560 nm. trebuie să se ocupe de comutare gama de lungimi de undă pentru a livra la „punctul albastru“. După trecerea-cheniya trebuie să reconfigurați întuneric curent (Repeat-4 alineatele rit, 5).
7. Comutatorul de selectare este pus în poziția «Verificare» (control), iar eșantionul a pus dispozitivul de împingere în poziția „2“. Atunci când acest model este de ieșire din fasciculul în fotoelement intensitatea luminii scade I.
8. Mâner «Slit» (fantă) dispozitiv de fantă este setat la zero. Atunci când punctele 7 și 8 ale dispozitivului măsurat în fascicul I0 intensitatea și amintit ea.
9. Comutator tip de muncă pus în poziția de «test» (experiență), iar pistonul de probă - în poziția „1“. Când această probă se introduce într-un fascicul, și o intensitate a luminii fotocelulă cade I.
10. Mâner «Reading» (count) Dispozitiv ustanav-slit Liban la zero. Atunci când punctele 9 și 10, măsurile de instrumente intensitatea luminoasă I. în care intervalul de referință, la prinderea în apropierea mânerului «lectură», determină în mod direct de la purtarea-I / I0. Indicat în partea dreaptă a raportului I / I0 (%) de rescriere într-un notebook. Tabel. 1 valoarea acestei relații-TION trebuie scris ca o fracțiune de unitate.
11. «lungime de undă» Pen seta o lungime de undă diferită și se repetă 7-10.
12. După măsurători opriți comutatorul în poziția «lămpii», apoi se trece «rețea» și deconectați cablul de alimentare.
13. Toate datele experimentale sunt înscrise în tabelul. 1.
În tabelul declarat ultimele două coloane baza rasschity-vayutsya a datelor obținute. După completarea toate coloanele au nevoie să complot dependență-reședință (). Prin îndoitură în graficul este determinată de lungimea de undă cu valori limită, iar apoi folosind formula (5) se calculează bandgap. Valoarea prezentă în electronvolți.
1. Care este principala diferență dintre conductivitatea de semiconductori-ing din conductivitatea metalelor?
2. Cum se obține banda de valență și banda de conducție în semiconductori?
3. Ce procese au loc în semiconductori absorbția luminii?
4. Care este semiconductor intrinsec?
5. De ce este de absorbție a luminii proprii semiconductori-com are un prag?
6. Ce determină lățimea diferenței într-o jumătate de tors?
7. Un semiconductor nedopată are o zonă de blocare-schonnoy lățime egală cu 4 eV. În ce culoare pentru a picta Locul Tinka din acest semiconductor? Lungimea de unda a luminii vizibile variază de la 400 nm până la 780 nm.
8. Un semiconductor nedopată are o zonă de blocare schonnoy lățime egală cu 2 eV. În ce culoare pentru a picta Locul Tinka din acest semiconductor? Lungimea de unda a luminii vizibile variază de la 400 nm până la 780 nm.
9. Cum se obține de tip n-semiconductori p-tip și?
10. Cum sunt situate în zona sistemului de impuritate, nici-donatori și urs acceptori?
11. În semiconductori de impuritate, noi de absorbție în COV. Așa cum sa explicat originea lor?
12. Cum este coeficientul de absorbție a luminii în cele de cristale?
13. Care este de absorbție și de impuritate buna absorbtie?
14. Ce fenomene fotoelectrice sunt observate în semiconductori?
15. Care este fenomenul efectului fotoelectric intern? Cum diferă din afara efectului fotoelectric?
16. Care este efectul fotovoltaic?
17. Ce proces este inversul procesului de termogeneratsii pereche electron-gol?
18. Procedeu Care este reversul procesului de fotogenerare de perechi electron-gol?
19. Care este principiul de funcționare de LED-uri?
20. Ce este „întuneric actual“ PV-la pădurile de pini?
21. Care sunt câteva modalități prin care puteți reduce curentul întunecat.
22. Care sunt parametrii dispozitivului este modificat prin schimbarea lățimii spektronoma decalaj?
23. Cum acuratețea măsurătorilor schimba decalaj întindere spektronoma HN?
24. Cum precizia de măsurare a puterii NICK sursa de lumina (becuri incandescente)?
25. Care este impactul asupra preciziei de măsurare a grosimii Place Tinky de cristal? Există o grosime optimă a plăcii?
26. Este posibil pe spektronome utilizată pentru a măsura marginea de absorbție intrinsecă a unui semiconductor cu un decalaj de banda = 3,2 eV și?
27. Ce modificări ar trebui să fac în aparat, astfel încât să puteți măsura marginea de absorbție intrinsecă în cristale cu un decalaj de bandă mai mare de 3,2 eV?
28. La deschiderea sau închiderea capacului camerei, unde este montat eșantionul, microîntrerupătorul este activat. Scopul Ka Covo acestei microîntrerupător?
29. Ce se întâmplă în interiorul dispozitivului atunci când experi-Tatorey se rotește butonul de «lungime de undă» (lungime de undă)?
30. În timpul instrumentului de control a constatat că numărul de dă lungimea de undă de 400 nm. și de la orificiul de evacuare a camerei de mostre trece lumina roșie. Ce Rovkov de control al suspensiei trebuie să fie efectuată astfel încât instrumentul a dat valoarea corectă a lungimii de undă?
31. Lungimea de undă a luminii vizibile se află în intervalul de aproximativ 4000 # 506; 8000 # 506;. Materialul transparent are o bandgap = 5 eV. Care este culoarea-am exista?