Взаимодействие света с веществом полупроводника

Лабораторная работа №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ
ПОЛУПРОВОДНИКА ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью данной работы является изучение процесса по глощения света веществом полупроводника для определе ния важнейшей характеристики полупроводника – ширины
запрещенной зоны.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
Модельное представление о проводимости
полупроводника
Важнейшей характеристикой полупроводника, определя ющей его электрические, оптические и другие свойства,
является ширина запрещенной зоны. Для уяснения физического смысла этой характеристики рассмотрим основные
модельные представления об электропроводности полупро водников на примере ковалентных полупроводников 4 -й
группы (германий Ge, кремний Si).
Между двумя атомами полупроводника имеет место ко валентная связь, осуществляемая парой электронов,
принадлежащих обоим этим атомам. Если все ковалентные
связи заполнены, то свободных электронов в кристалле нет
и, следовательно, электропроводность такого кристалла бу дет равна нулю. Рис. 1 даёт двумерное представление о
решетке ковалентного полупроводника (Si). При T=0°К
свободных электронов в решетке нет, так как все валентные
электроны участвуют в связях. Флуктуации теплового
движения атомов при повышении температуры могут
привести к разрыву ковалентных связей в некоторых местах
18
кристалла и освобождению электронов, которые теперь
могут участвовать в проводимости. Следовательно, чтобы
валентный электрон стал электроном проводимости, ему
надо сообщить некоторую энергию активации ( E  Eакт ),
равную энергии разрыва ковалентной связи.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Рис. 1. Модельные представления о собственной
проводимости полупроводников
(пунктир изображает незаполненную ковалентную
связь – дырку)
После ухода электрона со связи последняя остаётся
незаполненной (изображена пунктиром на рис. 1). В эту
незаполненную связь могут перемещаться связанные элек троны с соседних связей. Движение связанных электроно в
по вакантным незаполненным связям в некотором направ лении эквивалентна движению положительно заряженных
незаполненных связей в противоположном направлении.
Таким образом, при разрыве ковалентных связей в полу проводнике возникают два механизма электропр оводности:
проводимость свободных электронов, движущихся против
электрического поля, и проводимость валентных электро нов по незаполненным связям, которую можно эквивален тно описать, как движение в направлении электрического
19
поля положительно заряженных незаполненных связей, называемых дырками. Полная электропроводность должна
состоять из электронной и дырочной составляющих.
Полупроводники, в которых электропроводность возни кает за счет разрыва собственных ковалентных связей в ре шетке, называются собственными. В собственных полупро водниках концентрация свободных электронов равна кон центрации дырок.
Концентрация носителей заряда в собственных полу проводниках растет с повышением температуры. Причем,
чем меньше в полупроводнике энергия активации E , тем
больше будет концентрация носителей зарядов при данной
температуре. Создание собственной проводимости можно про иллюстрировать с помощью энергетической диаграммы (рис. 2).
Энергетические состояния валентных (связанных) электро нов образуют зону, называемую валентной зоной. На диа грамме уровнем EV обозначена верхняя граница этой зоны.
Чтобы электрон стал свободным, ему нужно сообщить энер гию E .
EC
E
EV
Рис. 2. Энергетическая диаграмма, поясняющая модельные представления о соб ственной проводимости полупроводни ков
20
Совокупность уровней энергии свободных электр онов
проводимости образуют зону энергий, называемую зоной
проводимости. Интервал энергии, определяемый соотно шением:
E  EC  EV ,
(1)
называется запрещенной зоной, причем E C обозначает
нижнюю границу зоны проводимости. Соотношение (1)
показывает, что ширина запрещенной зоны E ( E З ) определяется просто энергией разрыва ковалентных связей.
Отметим, что существование энергетических зон, кото рые введены выше в связи с энергией разрыва ковалентной
связи, можно строго обосновать теоретически только при
решении квантовомеханичекой задачи о движении электро на в периодическом поле кристалла. Решение этой задачи
показывает, что при образовании твердого тела соседние
атомы настолько сближаются друг с другом, что внешние
электронные оболочки не только соприкасаются, но даже
перекрываются. В результате этого характер движения
электронов резко изменяется: электроны, находящиеся на
определенном энергетическом уровне одного атома, полу чают возможность переходить без затраты энергии на соответствующий уровень соседнего атома, и таким образом
свободно перемещаться вдоль всего твердого тела.
Вместо индивидуальных атомных орбит образуются кол лективные, и подоболочки отдельных атомов объединяются
в единый для всего кристалла коллектив – зону. Расчет
показывает, что энергетическая зона состоит из множества
энергетических уровней, отстоящих друг от друга на рас стояние порядка 10 -23 эВ. Заполнение энергетических зон
электронами происходит в соответствии с принципом
Паули: на каждом уровне в зоне может находиться не более
двух электронов .
21
На рис. 3 показано заполнение энергетических зон
электронами при температуре Т=0 К.
EC
E
EV
Рис. 3. Характер заполнения энергетических
зон в полупроводнике при Т=0 К
В этом случае все состояния в валентной зоне за полнены. Это означает, что все валентные электро ны принимают участие в ковалентной связи и свободных элек тронов нет – проводимость отсутствует. По мере повыше ния температуры часть электронов термически возбуж дается и переходит в зону проводимости, при этом в вален тной зоне образуются свободные состояния – дырки.
Проведённое качественное обсуждение проводимости
собственных полупроводников показывает, что она опреде ляется прежде всего шириной запрещенной зоны E . Поэтому задача экспериментального определения ширины за прещенной зоны является важнейшей.
Взаимодействие света с веществом полупроводника
В настоящей работе ширина запрещенной зоны полупро водника E определяется оптическим методом. Рассмотрим
плоскопараллельную пластину полупроводника, на которую
22
падает монохроматический свет интенсивностью I 0 . Часть
падающего света отражается от пластинки, часть пог лощается в ней, а часть, интенсивностью I, проходит через
пластину. Можно показать, что для тонкой пластины ши риной d имеет место следующее равенство
I  I 0 exp(   d ) ,
(2)
где  – коэффициент поглощения света.
Равенство (2) можно переписать в следующем виде :
1  I0 

d  I 
  ln
(3)
Рассмотрим, как меняется в полупроводнике коэффици ент поглощения  при изменении длины волны падающего
света. Возьмем полупроводник с достаточно большой вели чиной E . Слова «с достаточно большой величиной»  означают, что при комнатной температуре в полу проводнике
практически нет свободных носителей. На зонном языке это
означает, что все уровни валентных зон полностью запол нены, а все уровни зоны проводимости полностью свободны.
Рис. 4 изображает зонную структуру полупроводника. На
этом рисунке стрелкой изображены кванты света, падающего на полупроводник, причем длина стрелки численно
равна энергии кванта. Кванты света поглощаются элек тронами, при этом их энергия увеличивается на величину
энергии кванта (E I ). Последнее означает, что электрон пере ходит с низкого на более высокий энергетический уровень.
Однако не все переходы с повышением энергии возможны.
Дело в том, что в соответствии с принципом Паули, воз можны только переходы между заполненными и свобод ными уровнями, т. е. переходы с уровней валентн ой зоны
на уровни зоны проводимости.
Рассмотрим для примера электрон с энергией E  EV и
квант света с энергией E I (показан на рис. 4 стрелкой). Квант
23
с энергией E I не будет поглощен электроном, по скольку
поглощение означает увеличение энергии электрона от зна чения EV до значения EV + E I , а этот последний уровень лежит в запрещенной зоне (см. рис. 4). Легко видеть, что
квант света с энергией E I  E также не будет поглощаться.
Поглощение начнется лишь тогда, когда энергия кванта достигнет величины E I  E . При этом электрон с заполненного уровня EV перейдет на свободный уровень EC  EV  E .
Разумеется, если квант будет имеет энергию E I  E , то он
также будет поглощаться. Таким образом, процесс погло щения света в полупроводнике имеет пороговый характер:
до тех пор, пока энергия кванта света E I  E , поглощение
отсутствует, если же E I  E , то наблюдается бурный рост
поглощения.
EC
E
EI  EV
EV
Рис. 4. Энергетическая диаграмма, поясняющая
поглощение света в полупроводнике
Обратимся теперь к коэффициенту поглощения  . Отсутствие поглощения означает малую величину  , а большое поглощение означает большую величину. Тогда если
построить зависимость  от длины волны  падающего
24
света, то она должна иметь вид, приблизительно пока занный на рис. 5.
Действительно, энергия кванта света связана с длиной
волны соотношением:
EI 
hc ,
(4)

где h – постоянная Планка;
с – скорость света.
При больших  энергия кванта мала и поглощение от сутствует.
Это отвечает правой части кривой на рис. 5. Как толь ко
 достигает величины гр , так что
E 
hc ,
(5)
гр
то начинается бурный рост поглощения. Это означает, что
при  = гр происходит резкий излом зависимости  (  ) (см.
рис. 5).

гр

Рис. 5. Зависимость коэффициента
поглощения от длины волны
25
Теперь легко понять идею, лежащую в основе настоящей
работы.
Из формулы (3) видно, что если экспериментально опре делить падающую интенсивность I 0 , прошедшую интенсивность I и толщину пластины d, то можно вычислить величину  . Проделаем это для нескольких длин волн  и
построим зависимость коэффициентов поглощения от дли ны волны падающего света.
Найдем на этой зависимости гр , как показано на рис. 5,
тогда, подставив найденную величину в формулу (5), опре делим ширину запрещенной зоны E .
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Измерения проводятся на стандартном оптическом при боре «Спектроном-361». Образцом является либо тонкая пластинка полупроводника, имеющая толщину d=4·10 -4 м, либо
пластинка прозрачного диэлектрика толщиной d=2,8·10 -3 м.
В приборе «Спектроном-361» для получения монохроматического света используется явление дисперсии света. Пучок
белого света от обычной лампы накаливания попадает на
диспергирующую призму, которая разлагает пучок в спектр.
Настраиваясь с помощью оптикомеханической системы на
тот или иной участок призмы, можно подавать на образец
монохроматический свет той или иной длины волны. Рег истрация прошедшего пучка производится с помощью фото элемента.
Образец установлен в первом окошке специального дер жателя, который помещается в камере образца, находящего ся в правой верхней части прибора.
Установка образца против окошечка, из которого п адает
свет, производится с помощью специальной штанги или
«толкателя образца», конец которого выведен на переднюю
панель прибора. Чтобы поставить образец под пучок, нужно
чтобы толкатель находился в положении «1». Во избежание
26
разрушения образца категорически запрещается вынимать
держатель образца из камеры.
Следует учитывать при выполнении работы, что для по лупроводникового образца ручка переключения диапазона
длин волн, находящаяся в камере образца должна быть ус тановлена в положение «красная точка».
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подключить вилку сетевого шнура прибора к розетке с
напряжением 220В.
2. Включить тумблер «Mains» (сеть), находящийся в левой нижней части прибора. Дать прибору прогреться 10 -15
минут.
3. Включить тумблер «Lamp» (лампа), находящийся там
же. При этом должна загореться лампа накаливания в
правой верхней части прибора. Прибор готов к работе. Уз нать у инженера, какой образец (полупроводник или ди электрик) установлен в камере.
4. Открыть крышку камеры образца и при открытой
крышке проделать следующее:
4.1 переключатель рода работ поставить в положение
«Dark current»,
4.2 установить нулевой прибор, находящийся на левой
стороне передней панели прибора, в нулевое положение с
помощью ручки «Dark current» .
5. Закрыть крышку камеры образца. В дальнейшем во
избежание ошибок ручку «Dark current» не трогать. После
этой настройки прибор готов к измерениям.
Измерения проводятся в следующем порядке:
6. Ручкой «Wave length» установить длину волны. Шкала
длин волн дана в нм (1 нм=10 -9 м=10 Ǻ). Начинать
измерения с  =1000 нм и продолжать, уменьшая каждый
раз длину волны на 50 нм. В области, где  начинает резко
возрастать, измерения проводятся через 2 нм.
Внимание! Необходимо удостовериться, что ручка переключения диапазона длин волн, находящаяся в камере
27
образца, установлена в положение «красная точка». В том
случае, если резкое возрастание  начинается в области
 =560 нм, необходимо ручку переключения диапа зона длин
волн поставить в положение «синяя точка». После переклю чения необходимо заново настроить темновой ток (повто рить пункты 4, 5).
7. Переключатель рода работ поставить в положение
«Check» (контроль), а толкатель образца поставить в поло жение «2». При этом образец выводится из пучка и на фото элемент падает свет интенсивностью I.
8. Ручкой «Slit»(щель) щелевой прибор устанавливается
на нуль. При выполнении пунктов 7 и 8 прибор измерил ин тенсивность света I 0 и запомнил ее.
9. Переключатель рода работ поставить в положение
«Test» (опыт), а толкатель образца – в положение «1». При
этом образец вводится в пучок, а на фотоэлемент падает
свет интенсивностью I.
10. Ручкой «Reading» (отсчет) щелевой прибор устанав ливается на нуль. При выполнении пунктов 9 и 10 прибор
измеряет интенсивность света I, причем шкала отсчета, находящаяся рядом с ручкой «reading», определяет сразу отношение I/I 0 . Указанное в правой части отношение I/I 0 (в %)
переписывают в тетрадь. В табл. 1 значения этого отноше ния должны быть записаны в долях от единицы.
11. Ручкой «Wave length» устанавливают другую длину
волны и повторяют пункты 7-10.
12. По окончании измерений выключить тумблер «Lamp»,
затем тумблер «Mains» и вынуть вилку сетевого шнура из
розетки.
13. Все экспериментальные данные заносятся в табл. 1.
В указанной таблице последние два столбца рассчиты ваются исходя из полученных данных. После заполнения
всех столбцов таблицы необходимо построить график зави симости  (  ). По излому на графике определяется гранич ная длина волны гр , а затем по формуле (5) вычисляется
28
ширина запрещенной зоны E . Величину E представить в
электронвольтах.
№
п/п
 , нм
I
,
I0
доли
единицы
ln 
I0
I
Таблица 1
1 I 
   ln 0 , м 1
d  I 
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое основное отличие проводимости полупроводни ков от проводимости металлов?
2. Как образуются валентная зона и зона проводи мости в
полупроводниках?
3. Какие процессы происходят в полупроводниках при
поглощении света?
4. Что такое собственный полупроводник?
5. Почему поглощение света собственным полупроводни ком имеет пороговый характер?
6. Что определяет ширина запрещенной зоны в полупроводниках?
7. Нелегированный полупроводник имеет ширину запре щённой зоны, равную 4 эВ. В какой цвет окрасится пластинка из этого полупроводника? Длина волны видимого
света лежит в интервале от 400 нм до 780 нм.
8. Нелегированный полупроводник имеет ширину запрещённой зоны, равную 2 эВ. В какой цвет окрасится пластинка из этого полупроводника? Длина волны видимого
света лежит в интервале от 400 нм до 780 нм.
9. Как получают полупроводники p–типа и n–типа?
29
10. Как располагаются на зонной схеме примесные уровни доноров и акцепторов?
11. В примесных полупроводниках появляются новые по лосы поглощения. Как объясняется их происхождение?
12. Как определяется коэффициент поглощения света в те лах?
13. Что такое собственное поглощение и примесное пог лощение?
14. Какие фотоэлектрические явления наблюдаются в по лупроводниках?
15. В чем состоит явление внутреннего фотоэффекта?
Чем оно отличается от внешнего фотоэффекта?
16. В чем состоит фотовольтаический эффект?
17. Какой процесс является обратным по о тношению к
процессу термогенерации электронно -дырочной пары?
18. Какой процесс является обратным по отношению к
процессу фотогенерации электронно -дырочной пары?
19. В чем состоит принцип действия светодиодов?
20. Что означает «темный ток» в фотоэлектрическ их приборах?
21. Какими способами можно уменьшить темновой ток.
22. Какие параметры прибора изменяются при изменении
ширины щели спектронома?
23. Как влияет на точность измерений изменение шири ны щели спектронома?
24. Как влияет на точность измерений мощ ность источника света (лампы накаливания)?
25. Как влияет на точность измерений толщина плас тинки кристалла? Существует ли оптимальная толщина
пластинки?
26. Можно ли на используемом в работе спектрономе
измерить край собственного поглощения полупроводни ка с
шириной запрещенной зоны E =3,2 эВ и более?
27. Какие изменения нужно сделать в приборе, чтобы
можно было измерять край собственного поглощения у
кристаллов с шириной запрещенной зоны более 3,2 эВ?
30
28. При открывании или закрывани и крышки камеры, где
установлен образец, срабатывает микропереключатель. Ка ково назначение этого микропереключателя?
29. Что происходит внутри прибора, когда эксперимен татор вращает ручку «wave length» (длина волны)?
30. Во время проверки прибора было об наружено, что
отсчет длины волны дает 400 нм, а из выходного отверстия
в камеру для образца проходит красный свет. Какие регули ровки надо произвести, чтобы прибор давал правильное
значение длины волны?
31. Длина волны видимого света лежит приблизительно в
пределах 4000 Ǻ    8000 Ǻ. Прозрачное вещество имеет
ширину запрещенной зоны E =5 эВ. Каков цвет этого вещества?
31