1.Определение времени жизни неравновесных носит.

Федаральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ивановский Государствееный Химико-Технологический Университет

Лабораторная работа электронному материаловедению №1

«Определение времени жизни неравновесных носителей зарядов в полупроводниках»

Выполнили: Назаров А.С.

Лобанов Я.А.

Группа 3-9

Иваново 2010.

Цель работы:

Определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводнике на основе релаксации фотопроводимости.

Теоретическое введение:

П ри воздействии внешнего источника энергии (света, электрического поля и др.) на объем полупроводника в нем возникает избыточная по сравнению с равновесной концентрация носителей заряда. Такие избыточные носители называются неравновесными. Генерация неравновесных носителей под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочную проводимость полупроводника, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным процессом является поглощение фотона с энергией, достаточной для возбуждения электрона в зону проводимости (переходы 1 и 2 на рис. 1) или на локальные уровни, расположенные в запрещенной зоне полупроводника (переход 3).

Поглощение света, которое сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется собственным поглощением.

П о мере возрастания концентрации неравновесных носителей увеличивается скорость обратного процесса-рекомбинации.

Самый простой вид рекомбинации - прямая межзонная рекомбинация, при которой электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, то есть рекомбинирует с дыркой (рис. 2).

Другой вид рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек (дефекты, примесные атомы итд) и ловушек захвата. Последние в силу механизма захвата увеличивают время жизни неравновесных носителей заряда.

Избыточная (неравновесная) проводимость, равная разности проводимостей полупроводника при наличии ( ) и в отсутствие ( ) освещения, представляет собой фотопроводимость ( ):

Концентрации неравновесных носителей зависят от интенсивности и длительности освещения полупроводника.

, где

к – коэффициент поглощения света

dx – единца толщины слоя

J – интенсивность монохроматического излучения

Т.е. скорость генерации носителей пропорциональна величине kJ

Для области собственного поглощения имеем

– коэффициент квантового выхода - определяет число пар носителей заряда (или число носителей заряда при примесной фотопроводимости), образуемых одним поглощенным квантом света, если интенсивность света J измерять числом квантов в секунду.

Изменение концентрации неравновесных носителей в единицу времени есть разность между скоростями их генерации и рекомбинации:

Решение данного уравнения

Если же в образце создана стационарная концентрация неравновесных носителей и в момент t=0 свет выключается, то концентрация неравновесных носителей заряда спадает до нулевого значения по закону:

Таким образом, время жизни неравнеовесных носителей заряда - это такое характерное время, за которое их концентрация убывает в е раз за счет рекомбинации при отсутствии процессов генерации.

Схема экспериментальной установки:

И сточником излучения является гелий-неоновый лазер (/). В качестве исследуемого образца используется полупроводниковый фоторезистор. На выходной части лазера закреплен световой клин (2), который позволяет изменять интенсивность излучения. Световой поток прерывается вращающимся от синхронного двигателя модулятором (i). Блок питания двигателя (4) расположен под лазером. Модулированный лазерный луч попадает на рассеивающую линзу (5) и далее - на фоторезистор (б).

Электрическая схема измерений организована следующим образом. Последовательно с образцом, сопротивление которого в темноте равно r, включен источник питания (7) с постоянным напряжением U и сопротивление нагрузки R_н (5). При освещении образца модулированным светом изменяется его проводимость и вследствие этого - сила тока в цепи. В результате на сопротивлении нагрузки возникает переменный сигнал U(t), который после усиления подается на вертикальные отклоняющие пластины осциллографа (9).

Отчет по лабораторной работе:

В ходе выполнения работы для лучшей регистрации и снятия показаний осциллографа было произведено четыре снимка его экрана для каждого значения интенсивности света . Нами использовался фотоаппарат Konica Minolta DiMAGE Z2 (Фокусное расстояние: 13мм, выдержка: 1/100 сек.)

Опыт №1 Опыт №2

Опыт №3 Опыт №4

Во всех четырёх случаях , при перекрывании луча модулятором, ручкой «смещение Y» горизонтальная линия развёртки устанавливалась нами на первую (нижнюю) линию сетки осциллографа (у=0), что соответствует темновой проводимости полупроводникового образца.

При повороте диска модулятора таким образом, чтобы излучение падало на фоторезистор, фиксировалась величина максимального отклонения луча на экране осциллографа (y_ст), соответствующее стационарному значению фотопроводимости. В таблице ниже для каждого опыта приведены значения у_ст, отсчитанные в миллиметрах от нулевого уровня у=0:

№	уст
1	45
2	40
3	35
4	30

Далее в программе «Grafula v2.10» была произведена оцифровка полученных результатов для участков, где образец не освещен. В результате обработки полученных данных оцифровки в программе “Origin 8” были получены следующие графичекие зависимости:

Опыт №1:

Опыт №2:

Опыт №3:

Опыт №4:

Экспериментальные данные целесообразнее представить в виде ln(y/y₀)=f(t), что в итоге даст нам линейную зависимость. Для этого каждую экспериментальную кривую разбили на отрезков. По результатам аппроксимирования по методу наименьших квадратов опрделили угловой коэффициент и погрешность его определения:

О пыт №1:

t, μc	yk
0	33,04325	0
0,6513	29,6138	-0,109576841
1,72846	25,62822	-0,254123221
2,75551	22,3378	-0,391536999
3,88277	19,27909	-0,538796221
5,31062	16,03502	-0,723042229
7,26453	12,83728	-0,945463872
9,51904	10,47374	-1,148946137
12,8006	8,38826	-1,3709842

Equation	y = a + b*x
Параметр	Значение	Standard Error
а	-0,07488	0,03476
b	-0,1095	0,00548

ε=0,05

О пыт №2:

t, μc	yk
0	23,16602	0
1,12004	19,81982	-0,156004103
2,65683	15,44402	-0,405464676
5,3918	9,83269	-0,856974001
8,20492	6,33205	-1,297062511
10,67942	4,6332	-1,609438776
12,58087	3,70656	-1,832582327
14,32605	3,14028	-1,998374582

Equation	y = a + b*x
Параметр	Значение	Standard Error
а	-0,01547	0,02651
b	-0,14887	0,00361

ε=0,024

Опыт №3:

t, μc	yk
0	19,05188	0
1,29882	15,67084	-0,195364124
2,70817	12,45081	-0,425380103
3,89645	10,30411	-0,61462294
5,19527	8,42576	-0,815872104
6,57699	6,81574	-1,027931141
9,06409	4,88372	-1,36125856
11,13667	3,86404	-1,595452516
12,9329	3,4347	-1,713236199

Equation	y = a + b*x
Параметр	Значение	Standard Error
а	-0,05919	0,03748
b	-0,13665	0,0052

ε=0,038

Опыт №4:

t, μc	yk
0	11,56677	0
0,94812	10,25237	-0,120627434
2,34969	8,6225	-0,293761266
3,00925	7,88644	-0,382991503
3,91614	7,04522	-0,495786959
4,7406	6,4143	-0,589606459
5,72994	5,62566	-0,720798057
6,80172	4,94217	-0,850331826
7,62618	4,52156	-0,939279265
9,27508	3,83807	-1,103166696
10,75909	3,41746	-1,219238747
12,16066	3,04942	-1,333184923
13,27367	2,94427	-1,368275423

Equation	y = a + b*x
Параметр	Значение	Standard Error
а	-0,06338	0,02739
b	-0,10663	0,00369

ε=0,035

Срвнивая соотношения и y = a + b*x нетрудно заметить, что при а .

Вычислим отсюда :

τ₁=9132,42 (μс) ε=0,05; τ₂=6717,27 (μс) ε=0,024;

τ₃=7316,89 (μс) ε=0,038; τ₄=9378,22 (μс) ε=0,035;

τ_ср=8136,2 1830,84 ε=22.5%;

Для того чтобы оценить, зависит ли время жизни неравновесных носителей заряда от уровня освещенности, построим график зависимости τ=f(у_ст).

Полученная зависимость аппроксимируется функцией y=a+bx, где

а= 9,13896 5,43133

b= -0,02674 0,14325

Поскольку угловой коэффициент приближенно равен нулю, то на основании этого можно сделать вывод о том, что время жизни неравновесных носителей заряда τ не зависит от освещенности.

Выводы по работе: в ходе выполненной работы определили среднее время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниковом образце. Оно составило τ_ср=8136,2 1830,84 ε=22.5%. Погрешность связываем с неидеальными условиями съёмки, а так же с несовершенством экспериментальной установки. Так же в ходе работы было экспериментально подтверждено, что время жизни неравновесных носителей заряда не зависит от уровня освещенности.