Ô ÔÝÌ-ýôôåêò 3 È . Ê È Ê Î È Í , ...

реклама
Ê
90-ËÅÒÈÞ
ÑÎ
ÄÍß
ÐÎÆÄÅÍÈß
È.Ê.ÊÈÊÎÈÍÀ
3
ÔÝÌ-ýôôåêò
È.ÊÈÊÎÈÍ, Ñ.ËÀÇÀÐÅÂ
Ô
ÎÒÎÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÉ
(ÔÝÌ) ýôôåêò áûë îòêðûò
îäíèì èç íàñ â 1934 ãîäó. Çàêëþ÷àåòñÿ ýòîò ýôôåêò â ñëåäóþùåì.
Åñëè îñâåùàòü ïîëóïðîâîäíèê, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå, òî â íåì
âîçíèêàåò ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà. Íà
ðèñóíêå 1 ïðèâåäåíà ñõåìà ýêñïåðèB
a
A
hν
X
Ðèñ. 1
Z
a
A
Y
Èëëþñòðàöèÿ Ï.×åðíóñêîãî
ìåíòà, â êîòîðîì îáíàðóæèâàåòñÿ ôîòîýëåêòðîìàãíèòíûé ýôôåêò. Ïîëóïðîâîäíèê â âèäå ïðÿìîóãîëüíîé
1*
ïëàñòèíêè ïîìåùåí â ìàãíèòíîå ïîëå,
íàïðàâëåííîå âäîëü îñè Õ. Âäîëü îñè
Y íà ïîâåðõíîñòü ïëàñòèíêè ïàäàåò
ïó÷îê ñâåòà. Òîãäà ìåæäó ãðàíÿìè à
è a′ âäîëü îñè Z âîçíèêàåò ðàçíîñòü
ïîòåíöèàëîâ, êîòîðóþ ìû â äàëüíåéøåì áóäåì íàçûâàòü ôîòîýëåêòðîìàãíèòíîé ÝÄÑ. Åñëè íà ýòè ãðàíè
íàíåñòè ýëåêòðîäû è çàìêíóòü èõ
ïðîâîäíèêîì, òî âêëþ÷åííûé â öåïü
èçìåðèòåëüíûé ïðèáîð çàðåãèñòðèðóåò íàëè÷èå òîêà â öåïè.
 ïåðâûõ ýêñïåðèìåíòàõ, â êîòîðûõ áûë îáíàðóæåí ÔÝÌ-ýôôåêò,
èñïîëüçîâàëèñü ïëàñòèíêè èç çàêèñè
ìåäè ( Cu2O ). Â òî âðåìÿ çàêèñü ìåäè
áûëà ñàìûì «ìîäíûì» âåùåñòâîì, íà
êîòîðîì ïîäðîáíî èçó÷àëèñü îñíîâíûå çàêîíîìåðíîñòè, êàñàþùèåñÿ
ïîëóïðîâîäíèêîâ. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî
â 30-õ ãîäàõ íà÷àëàñü ýðà ïîëóïðîâîäíèêîâ, êîòîðûì ñóæäåíî áûëî
ñîâåðøèòü ðåâîëþöèþ â ðàäèîýëåêò-
ðîííîé òåõíèêå. Îïèñàííûå âûøå
îïûòû ïðîâîäèëèñü íà îáðàçöàõ çàêèñè ìåäè ïðè òåìïåðàòóðå æèäêîãî
àçîòà (77 Ê). Â íåáîëüøîì ìàãíèòíîì ïîëå (ñ èíäóêöèåé îêîëî 1 Òë)
ïðè îñâåùåíèè îáðàçöà äîâîëüíî ñëàáûì ñâåòîì îò ëàìïî÷êè êàðìàííîãî
ôîíàðèêà ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó òî÷êàìè À è A′ (ðàññòîÿíèå ìåæäó
íèìè áûëî îêîëî 2 ñì) äîñòèãàëà
15—20 Â!
Îïûòû ïîêàçàëè, ÷òî çíàê ôîòîýëåêòðîìàãíèòíîé ÝÄÑ, à ñëåäîâàòåëüíî, è íàïðàâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â îáðàçöå ìåíÿþòñÿ ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. À ïðè çàäàííîì íàïðàâëåíèè ïîëÿ çíàê ÝÄÑ ìåíÿåòñÿ, åñëè
èçìåíèòü íàïðàâëåíèå ïàäàþùåãî íà
îáðàçåö ñâåòà (ò.å. îñâåòèòü ïðîòèâîïîëîæíóþ ïîâåðõíîñòü îáðàçöà). Ïðè
îñâåùåíèè îáðàçöà â îòñóòñòâèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ ÝÄÑ íå âîçíèêàåò.
4
Ïîïûòàåìñÿ îáúÿñíèòü ïðîèñõîæäåíèå ÔÝÌ-ýôôåêòà.
Ôîòîýëåêòðîìàãíèòíàÿ ÝÄÑ âîçíèêàåò ïðè äåéñòâèè íà îñâåùàåìûé
îáðàçåö ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ìåæäó òåì
èçâåñòíî, ÷òî ìàãíèòíîå ïîëå äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû. Ïîýòîìó íàäî ïîíÿòü, êàêèì îáðàçîì ñîçäàåòñÿ äâèæåíèå çàðÿäîâ â ïîëóïðîâîäíèêå â
îòñóòñòâèå èñòî÷íèêà ÝÄÑ.
Ñâåò, ïàäàþùèé íà ïîâåðõíîñòü
ïîëóïðîâîäíèêà, ïîãëîùàåòñÿ â íåì
(åñëè ïîëóïðîâîäíèê íå ïðîçðà÷åí
äëÿ ýòîãî ñâåòà). Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ
ñâåò ïîãëîùàåòñÿ ýëåêòðîíàìè àòîìîâ ïîëóïðîâîäíèêà. Ïðè äîñòàòî÷íîé ýíåðãèè ( hν ) êâàíòîâ ñâåòà (ôîòîíîâ) ïîãëîòèâøèé èõ ýëåêòðîí îòðûâàåòñÿ îò àòîìà, ñòàíîâèòñÿ ñâîáîäíûì è ìîæåò ïåðåìåùàòüñÿ âíóòðè îñâåùàåìîãî òåëà.  ìåòàëëàõ è
áåç âñÿêîãî äåéñòâèÿ ñâåòà èìååòñÿ
îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ.  ïîëóïðîâîäíèêàõ ÷èñëî
ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ îáû÷íî ìàëî,
à ïîä äåéñòâèåì ïîãëîùàåìîãî ñâåòà
îíî óâåëè÷èâàåòñÿ. Ðàç ïîëóïðîâîäíèê íåïðîçðà÷åí, ïàäàþùèé íà åãî
ïîâåðõíîñòü ñâåò ïîãëîùàåòñÿ â òîíêîì ñëîå ó ïîâåðõíîñòè, ò.å. ïðîíèêàåò â îáðàçåö ëèøü íà íåáîëüøóþ
ãëóáèíó (ïîðÿäêà äëèíû âîëíû ñâåòà). Ñëåäîâàòåëüíî, â òîíêîì ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå ïîëóïðîâîäíèêà óâåëè÷èâàåòñÿ ÷èñëî ñâîáîäíûõ
ýëåêòðîíîâ.  îñòàëüíîé ÷àñòè ïîëóïðîâîäíèêà, êóäà ñâåò íå ïðîíèêàåò, ÷èñëî ýëåêòðîíîâ îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Çíà÷èò, â òîíêîì ñëîå
âáëèçè îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè êîíöåíòðàöèÿ ýëåêòðîíîâ îêàçûâàåòñÿ
áîëüøå, ÷åì â òîëùå îáðàçöà. Èç
ìîëåêóëÿðíîé ôèçèêè èçâåñòíî, ÷òî,
êîãäà â îäíîé ÷àñòè òåëà êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö áîëüøå, ÷åì â äðóãèõ
åãî ÷àñòÿõ, íàáëþäàåòñÿ ÿâëåíèå
äèôôóçèè – ïåðåìåùåíèå ÷àñòèö èç
îáëàñòè ñ áîëüøåé êîíöåíòðàöèåé â
îáëàñòü ñ ìåíüøåé êîíöåíòðàöèåé.
Òî æå ïðîèñõîäèò è ñ ýëåêòðîíàìè,
ðîæäåííûìè â ïîëóïðîâîäíèêå ñâåòîì: ýëåêòðîíû äèôôóíäèðóþò îò
îñâåùàåìîé ïîâåðõíîñòè â ãëóáü îáðàçöà. Íî ïåðåìåùåíèå ýëåêòðîíîâ
– ýòî ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Ïðè îñâåùåíèè ïîëóïðîâîäíèêà ïîãëîùàåìûì ñâåòîì âîçíèêàåò äâèæåíèå
ýëåêòðîíîâ îò îñâåùåííîé ê íåîñâåùåííîé ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. Èíûìè ñëîâàìè, âîçíèêàåò òîê, êîòîðûé
ìû íàçîâåì äèôôóçèîííûì ýëåêòðîííûì òîêîì. (Ýòîò òîê íàïðàâëåí
ÊÂÀÍÒ 1998/¹4
îò íåîñâåùåííîé ãðàíè ê îñâåùåííîé.) Îí âîçíèêàåò ïîä äåéñòâèåì
ñâåòà áåç âíåøíåãî èñòî÷íèêà òîêà.
Òî÷íåå, ñâåò è ñëóæèò èñòî÷íèêîì
òîêà. Íà ýëåêòðîíû, ñîçäàþùèå äèôôóçèîííûé òîê, äåéñòâóåò ìàãíèòíîå ïîëå. Êàê èçâåñòíî, ñèëà Ëîðåí→
öà FË , äåéñòâóþùàÿ â ìàãíèòíîì
ïîëå íà äâèæóùèéñÿ çàðÿä, íàïðàâ→
ëåíà ïåðïåíäèêóëÿðíî ñêîðîñòè v
→
çàðÿäà è ìàãíèòíîé èíäóêöèè B
ïîëÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, åñëè íàïðàâëåíèå èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ è
íàïðàâëåíèå ïàäàþùåãî ñâåòà òàêèå,
êàê íà ðèñóíêå 1, òî ïîä äåéñòâèåì
ñèëû Ëîðåíöà ýëåêòðîíû îòêëîíÿþòñÿ ê ãðàíè a ′ è ñêàïëèâàþòñÿ íà
íåé. Ñëåäîâàòåëüíî, ýòà ãðàíü áóäåò
èìåòü îòðèöàòåëüíûé çàðÿä. Òàêèì
îáðàçîì, ìåæäó ãðàíÿìè à è a ′ âîçíèêàåò ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ, è åñëè
íàëîæèòü íà ýòè ãðàíè ýëåêòðîäû,
ñîåäèíåííûå ïðîâîäíèêîì, òî ïî ïðîâîäíèêó ïîòå÷åò ýëåêòðè÷åñêèé òîê.
Êàçàëîñü áû, íà ýòîì ìîæíî ñ÷èòàòü îáúÿñíåíèå âîçíèêíîâåíèÿ ÔÝÌýôôåêòà çàêîí÷åííûì. Îäíàêî ñóùåñòâåííûì ÿâëÿåòñÿ òîò ôàêò, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèé òîê â çàìêíóòîé öåïè ñóùåñòâóåò â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî âðåìåíè, ïîêà íà îáðàçåö ïàäàåò ñâåò. À
ïðèâåäåííûå âûøå ðàññóæäåíèÿ íåäîñòàòî÷íû äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýòîãî
ôàêòà. Äåéñòâèòåëüíî, äëÿ ïîääåðæàíèÿ ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó
ãðàíÿìè à è a ′ ïëàñòèíêè íåîáõîäèì
ïîñòîÿííûé ïðèòîê ýëåêòðîíîâ íà
ãðàíü a ′ , à ñëåäîâàòåëüíî, ïîñòîÿííûé äèôôóçèîííûé òîê ýëåêòðîíîâ.
Íî äèôôóçèÿ ýëåêòðîíîâ íå ìîæåò
äîëãî ïðîäîëæàòüñÿ, îíà äîëæíà ïðåêðàòèòüñÿ.  ñàìîì äåëå, ÷àñòü ýëåêòðîíîâ, äèôôóíäèðóÿ â ãëóáü îáðàçöà, äîñòèãàåò íåîñâåùåííîé ïîâåðõíîñòè ïëàñòèíêè è îñåäàåò íà íåé. Ñî
âðåìåíåì íà ýòîé ïîâåðõíîñòè äîëæåí íàêîïèòüñÿ îòðèöàòåëüíûé çàðÿä, êîòîðûé áóäåò òîðìîçèòü äèôôóíäèðóþùèå ýëåêòðîíû. Êîãäà íà
íåîñâåùåííîé ïîâåðõíîñòè îáðàçöà
íàêîïèòñÿ äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî
ýëåêòðîíîâ, äèôôóçèîííûé òîê ïðåêðàòèòñÿ, è, ñëåäîâàòåëüíî, ïðåêðàòèòñÿ òîê âî âíåøíåé öåïè. Êàê ïîêàçûâàþò ðàñ÷åòû, âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ äèôôóçèîííîãî òîêà, çàâèñÿùåå
îò âíåøíèõ óñëîâèé (îò èíòåíñèâíîñòè ïàäàþùåãî ñâåòà, çíà÷åíèÿ èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ) è îò ñâîéñòâ
îáðàçöà (åãî ðàçìåðîâ, ìàòåðèàëà è
ïð.), îáû÷íî âåñüìà ìàëî – ïîðÿäêà
−5
−6
10 – 10 ñ.
Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà
â öåïè (ïîñòîÿííîé ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ãðàíÿìè à è a ′ ) íåîáõîäèìî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ñêàïëèâàþùèéñÿ íà íåîñâåùåííîé ïîâåðõíîñòè ïëàñòèíêè îòðèöàòåëüíûé çàðÿä «íåéòðàëèçóåòñÿ» òî÷íî òàêèì
æå ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì. Ïðåäñòàâèì ñåáå, ÷òî ïðè îñâåùåíèè ïîâåðõíîñòè îáðàçöà ðîæäàþòñÿ íå
òîëüêî ýëåêòðîíû, íî è ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûå ÷àñòèöû, çàðÿä êàæäîé èç êîòîðûõ ïî àáñîëþòíîìó çíà÷åíèþ ðàâåí çàðÿäó ýëåêòðîíà. Îíè
òîæå áóäóò äèôôóíäèðîâàòü â ãëóáü
îáðàçöà. Òîãäà ñîâìåñòíàÿ äèôôóçèÿ ýëåêòðîíîâ è ýòèõ ïîëîæèòåëüíûõ çàðÿäîâ ìîæåò ïðîäîëæàòüñÿ
ñêîëü óãîäíî äîëãî, ïîñêîëüêó, äîõîäÿ äî ïðîòèâîïîëîæíîé ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, îíè íå çàðÿæàþò åå.
Ïðàâäà ïðè ýòîì ñóììàðíûé äèôôóçèîííûé òîê ðàâåí íóëþ.
Èìåííî òàêàÿ êàðòèíà è ðåàëèçóåòñÿ â äåéñòâèòåëüíîñòè ïðè îñâåùåíèè ïîëóïðîâîäíèêà. À ïîëîæèòåëüíûå çàðÿäû, êîòîðûå ðîæäàþòñÿ ñâåòîì, ýòî – òàê íàçûâàåìûå äûðêè.
Ïðåäñòàâëåíèå î äûðêàõ ïîðîæäåíî
êâàíòîâîé ìåõàíèêîé. ÔÝÌ-ýôôåêò
– îäíî èç ïåðâûõ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé, äëÿ îáúÿñíåíèÿ êîòîðûõ ïîíÿòèå äûðêè îêàçàëîñü ñîâåðøåííî íåîáõîäèìûì.  ñîâðåìåííîé òåîðèè
ýëåêòðîïðîâîäíîñòè ýëåêòðîííî-äûðî÷íîå ïðåäñòàâëåíèå ñòàëî îáùåïðèíÿòûì.
Èòàê, ïðè îñâåùåíèè ïîâåðõíîñòè
ïîëóïðîâîäíèêîâîé ïëàñòèíêè ïðîèñõîäèò îäíîâðåìåííîå ðîæäåíèå
ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ è äûðîê (èëè,
êàê ãîâîðÿò, ðîæäåíèå ýëåêòðîííîäûðî÷íîé ïàðû), êîòîðûå äèôôóíäèðóþò â îäíîì íàïðàâëåíèè.  ìàãíèòíîì ïîëå ñèëà Ëîðåíöà îòêëîíÿåò äâèæóùèåñÿ ýëåêòðîíû è äûðêè
â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû, òàê ÷òî
íà ãðàíè a ′ îñåäàþò ýëåêòðîíû, à
íà ãðàíè à – äûðêè. Î÷åâèäíî, ÷òî
ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ ïàäàþùåãî ñâåòà èëè íàïðàâëåíèÿ ìàãíèòíîé èíäóêöèè çíàê âîçíèêàþùåé
ÝÄÑ ìåíÿåòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíûé.
Çíàê ÝÄÑ ìîæíî îïðåäåëèòü ïî ïðàâèëó ëåâîé ðóêè: åñëè ëåâóþ ðóêó
ðàñïîëîæèòü òàê, ÷òîáû âåêòîð ìàãíèòíîé èíäóêöèè âõîäèë â ëàäîíü,
à ÷åòûðå âûòÿíóòûõ ïàëüöà áûëè
íàïðàâëåíû âäîëü ïàäàþùåãî íà îáðàçåö ñâåòîâîãî ïó÷êà, òî îòîãíóòûé
íà 90° áîëüøîé ïàëåö óêàæåò íàïðàâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â îáðàçöå.
Ê
90-ËÅÒÈÞ
Òàêîâà â îáùèõ ÷åðòàõ êà÷åñòâåííàÿ òåîðèÿ ÔÝÌ-ýôôåêòà. Êîíå÷íî,
ýòà òåîðèÿ áûëà ðàçðàáîòàíà ïîñëå
äåòàëüíîãî ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ ýôôåêòà. Ñàì ýôôåêò áûë
îáíàðóæåí íåîæèäàííî çíà÷èòåëüíî
ðàíüøå ñîçäàíèÿ òåîðèè, è ñíà÷àëà
îí êàçàëñÿ óäèâèòåëüíûì. Ðàñ÷åòû,
âûïîëíåííûå íà îñíîâå ðàçâèòîé òåîðåòè÷åñêîé ìîäåëè, äàþò ñëåäóþ-
N
B
B
S
Ðèñ. 2
ùóþ ïðèáëèæåííóþ ôîðìóëó äëÿ
ñèëû ôîòîýëåêòðîìàãíèòíîãî òîêà I
â çàìêíóòîé öåïè, êîãäà ýëåêòðîäû
îáðàçöà çàìêíóòû íàêîðîòêî (ò.å.
êîãäà ñîïðîòèâëåíèå âíåøíåé öåïè
ïðåíåáðåæèìî ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñ
ñîïðîòèâëåíèåì ñàìîãî ïîëóïðîâîäíèêà):
I = KeNB ,
ãäå å – çàðÿä ýëåêòðîíà, N – êîëè÷åñòâî êâàíòîâ ñâåòà, ïîãëîùàåìûõ
2
1 ì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà â 1 ñåêóíäó
(î÷åâèäíî, ÷òî N ïðîïîðöèîíàëüíî
îñâåùåííîñòè îáðàçöà),  – çíà÷åíèå
èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, à K –
êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè,
çíà÷åíèå êîòîðîãî çàâèñèò òîëüêî îò
ìàòåðèàëà îáðàçöà. Ïðÿìàÿ ïðîïîðöèîíàëüíîñòü òîêà èíòåíñèâíîñòè
ïàäàþùåãî ñâåòà è èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ áûëà âûÿâëåíà óæå â ïåðâûõ ýêñïåðèìåíòàõ.
Ïðè îáû÷íûõ óñëîâèÿõ îïûòà â
íåáîëüøîì ìàãíèòíîì ïîëå ïîðÿäêà
1 Òë ïðè îñâåùåííîñòè, ñîçäàâàåìîé
åñòåñòâåííûì äíåâíûì ñâåòîì, ÷òî
?
D
ñîîòâåòñòâóåò N ; 1021 1 ì2 ⋅ c , ÷åðåç îáðàçåö ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî
ãåðìàíèÿ øèðèíîé 0,01 ì â íàïðàâëåíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ òå÷åò ôîòîìàãíèòíûé òîê ;10−3 A .
Çíàÿ âíåøíèå ïàðàìåòðû (N, Â),
ìîæíî, èçìåðÿÿ ôîòîìàãíèòíûé òîê,
íàõîäèòü õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûå
îïðåäåëÿþò âåëè÷èíó êîýôôèöèåíòà K. ÔÝÌ-ýôôåêò â ñîâðåìåííûõ
ëàáîðàòîðèÿõ ñòàë ïðîñòûì è íàäåæíûì èíñòðóìåíòîì äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ, õàðàêòåðèçóþùèõ
2 Êâàíò ¹ 4
ÑÎ
ÄÍß
ÐÎÆÄÅÍÈß
È.Ê.ÊÈÊÎÈÍÀ
êà÷åñòâî ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ, òàêèõ, êàê âðåìÿ æèçíè íîñèòåëåé (ýëåêòðîíà è äûðêè) τ , ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè
S, äèôôóçèîííàÿ äëèíà L, ïîäâèæíîñòü íîñèòåëåé òîêà µ è íåêîòîðûõ
äðóãèõ. Ïîÿñíèì êðàòêî ñìûñë ýòèõ
âåëè÷èí.
Êàê ìû óæå çíàåì, ïîä äåéñòâèåì
êâàíòà ñâåòà âàëåíòíûé ýëåêòðîí
ìîæåò «îòîðâàòüñÿ» îò àòîìà è ñòàòü
ýëåêòðîíîì ïðîâîäèìîñòè. Îäíàêî
ýòîò èçáûòî÷íûé íîñèòåëü òîêà íå
ìîæåò ñóùåñòâîâàòü â îáðàçöå áåñêîíå÷íî äîëãî. Äîâîëüíî ñêîðî ïîñëå
ñâîåãî ðîæäåíèÿ îí ïî òåì èëè èíûì
ïðè÷èíàì ñíîâà ñòàíîâèòñÿ ñâÿçàííûì, íàïðèìåð ïðèñîåäèíèâøèñü ê
èîíèçèðîâàííîìó àòîìó (ýòîò ïðîöåññ íàçûâàåòñÿ ðåêîìáèíàöèåé).
Ñðåäíåå âðåìÿ τ ñóùåñòâîâàíèÿ íîñèòåëÿ òîêà â ñâîáîäíîì ñîñòîÿíèè
íàçûâàþò âðåìåíåì æèçíè. Â ðàçíûõ
ïîëóïðîâîäíèêàõ ýòî âðåìÿ ðàçëè÷−10
íî – îò 10 ñ äî ñîòûõ äîëåé ñåêóíäû. Ýëåêòðîíû (èëè äûðêè) ðåêîìáèíèðóþò íå òîëüêî â îáúåìå ïîëóïðîâîäíèêà, íî è íà åãî ïîâåðõíîñòè.
Âåëè÷èíà S, õàðàêòåðèçóþùàÿ ñêîðîñòü èñ÷åçíîâåíèÿ íîñèòåëåé òîêà
íà ïîâåðõíîñòè, íàçûâàåòñÿ ñêîðîñòüþ ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè.
Äëèíà äèôôóçèè íîñèòåëåé L ðàâíà
ïðèáëèçèòåëüíî ðàññòîÿíèþ, íà êîòîðîå óñïåâàþò ïðîäèôôóíäèðîâàòü
ýëåêòðîíû è äûðêè çà âðåìÿ ñâîåé
æèçíè τ . Ïîäâèæíîñòü íîñèòåëåé µ
– ýòî ñêîðîñòü èõ ïåðåìåùåíèÿ ïîä
äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ñ íàïðÿæåííîñòüþ, ðàâíîé åäèíèöå. Ýòè
ïàðàìåòðû âî ìíîãîì îïðåäåëÿþò
êà÷åñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâ, èñïîëüçóåìûõ â ýëåêòðîííîé òåõíèêå.
 çàêëþ÷åíèå îïèøåì îäèí êðàñèâûé îïûò, êîòîðûé èëëþñòðèðóåò
ìåõàíèçì âîçíèêíîâåíèÿ ÔÝÌ-ýôôåêòà. Îïûò ñîñòîèò â ñëåäóþùåì.
Èç ïîëóïðîâîäíèêà (ãåðìàíèÿ) âûðåçàåòñÿ îáðàçåö â âèäå ìàëåíüêîãî
öèëèíäðà. Âíóòðè öèëèíäðà âûñâåðëèâàåòñÿ òîíêèé êàíàë, â êîòîðûé
çàïðåññîâûâàåòñÿ ïîäïÿòíèê èç òâåðäîãî ìàòåðèàëà. Îáðàçåö íàñàæèâàåòñÿ íà èãëó (êàê ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà êîìïàñà). Öèëèíäð ïîìåùàåòñÿ
ìåæäó ïîëþñàìè ìàãíèòà (ðèñ.2) è
îñâåùàåòñÿ ñâåòîì (óãîë ìåæäó íàïðàâëåíèåì ëó÷à ñâåòà è èíäóêöèåé
ìàãíèòíîãî ïîëÿ θ ≈ 45°).  ðåçóëüòàòå îáðàçåö íà÷èíàåò âðàùàòüñÿ!
Îïûò íàãëÿäíî äåìîíñòðèðóåò íåïîñðåäñòâåííîå ïðåâðàùåíèå ýíåðãèè
ñâåòà â ìåõàíè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Ýòî
5
ÿâëåíèå ìîæíî íàçâàòü ôîòîìàãíèòîìåõàíè÷åñêèì ýôôåêòîì. Ïîïðîáóåì îáúÿñíèòü ïðîèñõîæäåíèå ýòîãî ýôôåêòà.
Ëó÷ ñâåòà, ïàäàþùèé íà áîêîâóþ
ïîâåðõíîñòü öèëèíäðè÷åñêîãî îáðàçöà, îñâåùàåò óçêóþ âåðòèêàëüíóþ
ïîëîñêó íåáîëüøîé øèðèíû ïî âñåé
äëèíå öèëèíäðà. Ðîæäåííûå ñâåòîì
ýëåêòðîíû è äûðêè äèôôóíäèðóþò
èç îñâåùåííîé îáëàñòè â ãëóáü öèëèíäðè÷åñêîãî îáðàçöà.  ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ ñèëû Ëîðåíöà íà äèôôóíäèðóþùèå â ìàãíèòíîì ïîëå
ýëåêòðîíû è äûðêè âîçíèêàåò ÝÄÑ
ÔÝÌ-ýôôåêòà. Ïðè ýòîì âñå ïðîöåññû äèôôóçèè è ðåêîìáèíàöèè
ðîæäåííûõ ñâåòîì íîñèòåëåé ðàçûãðûâàþòñÿ â ñëîå îáðàçöà ïðîòÿæåííîñòüþ ïîðÿäêà äèôôóçèîííîé äëèíû. Îñòàëüíàÿ æå òîëùà îáðàçöà
ïàññèâíà è ñëóæèò êàê áû ïðîâîäíèêîì, çàìûêàþùèì íà ñåáÿ ÝÄÑ.
Âåñü îáðàçåö ìîæíî ïðåäñòàâèòü â
âèäå áåñêîíå÷íîãî ÷èñëà çàìêíóòûõ
êîíòóðîâ-ðàìîê (îäíà èç ñòîðîí ýòèõ
ðàìîê – óçêàÿ îñâåùåííàÿ ïîëîñêà
ïîâåðõíîñòè îáðàçöà). Íà êàæäóþ
òàêóþ ðàìêó ñî ñòîðîíû ìàãíèòíîãî
ïîëÿ äåéñòâóåò ìîìåíò ñèë, ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå êîòîðîãî ïðîïîðöèîíàëüíî ïëîùàäè ðàìêè è ñèëå
òîêà â íåé. Îäíàêî â ñèëó ñèììåòðèè öèëèíäðè÷åñêîãî îáðàçöà âñå ýòè
ðàìêè ìîæíî çàìåíèòü îäíîé «ýêâèâàëåíòíîé» ðàìêîé, ïëîñêîñòü êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ïó÷êà ïàäàþùåãî ñâåòà. È åñëè óãîë θ ,
êîòîðûé ñîñòàâëÿåò ïëîñêîñòü ðàìêè ñ íàïðàâëåíèåì èíäóêöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íå ðàâåí 90°, òî ðàìêà ïîâîðà÷èâàåòñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå
(êàê ðàìêà ñ òîêîì â îáû÷íîì ýëåêòðîäâèãàòåëå).  îïèñàííîì íàìè
îïûòå θ ≈ 45°, è âðàùàþùèé ìîìåíò,
äåéñòâóþùèé íà ýêâèâàëåíòíóþ ðàìêó, çàñòàâëÿåò âðàùàòüñÿ âåñü îáðàçåö. Ïðè âðàùåíèè öèëèíäðà ïîä
ïó÷îê ñâåòà ïîïàäàþò âñå íîâûå ó÷àñòêè åãî ïîâåðõíîñòè. Ïîýòîìó öèëèíäð áóäåò âðàùàòüñÿ íåïðåðûâíî.
Åñëè âû ðàçîáðàëèñü â ìåõàíèçìå
âîçíèêíîâåíèÿ ÔÝÌ-ýôôåêòà, âû
ñìîæåòå îòâåòèòü íà òàêîé âîïðîñ:
èçìåíèòñÿ ëè íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ
öèëèíäðà, åñëè íàïðàâëåíèå ïîëÿ
ïîìåíÿòü íà ïðîòèâîïîëîæíîå?
Скачать