s2 pomiar energii aktywacji kryształów półprzewodnikowych

Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, S2
S2
POMIAR ENERGII AKTYWACJI
KRYSZTAŁÓW
PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
I. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z fotoelektryczną techniką detekcji światła oraz z optyczną metodą
wyznaczania energii przerwy wzbronionej w półprzewodnikach.
II. Aparatura







Monochromator z układem przestrajania długości fali
Fotopowielacz z zasilaczem wysokiego napięcia
Lampa żarowa z zasilaczem
Lampa spektralna Hg-Cd z zasilaczem
Nanowoltomierz fazoczuły (LOCK-IN) oraz modulator światła (sektor wirujący)
Komputer z kartą pozwalającą na bezpośrednie rejestrowanie danych pomiarowych
Soczewki, płytka półprzepuszczalna, kryształy półprzewodnikowe.
III. Program ćwiczenia
 Sporządzić krzywą dyspersji monochromatora przy pomocy lampy spektralnej.
 Zmierzyć transmisję kryształu jako funkcję długości fali światła.
 Ze znajomości zależności transmisji kryształu od długości fali światła wyznaczyć
współczynnik absorpcji światłą w funkcji długości fali, a następnie wyznaczyć energię
aktywacji dla badanego kryształu.
IV. Tematy do kolokwium
 Struktura krystaliczna ciała stałego.
 Powstawanie pasm energetycznych elektronów w krysztale (struktura pasmowa ciała




stałego)
Metale, półprzewodniki i izolatory w świetle modelu pasmowego.
Oddziaływanie fali elektromagnetycznej z kryształem, przejścia międzypasmowe,
absorpcja światła w półprzewodniku.
Budowa i zasada działania monochromatora (zdolność rozdzielcza, dyspersja, krzywa
dyspersji) oraz fotopowielacza i stosowanych źródeł światła.
Zasada działania nanowoltomierza fazoczułego LOCK-IN.
1
II Pracownia Fizyczna, S2
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
V. Literatura
 R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa atomów, cząsteczek, ciał stałych i cząstek





elementarnych.
L.V. Azaroff, Struktura i własności ciał stałych.
J. Pancove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach.
Wybrane zagadnienia z fizyki ciała stałego, skrypt UJ pod redakcją A. Szytuły (1984).
Z. Faust, Przetworniki fotoelektryczne.
Instrukcja obsługi monochromatora (w materiałach do ćwiczenia) oraz instrukcja
obsługi nanowoltomierza LOCK-IN (w pracowni).
VI. Warunki B H P
Fotopowielacz zasilany jest napięciem stałym powyżej 1000V. Jest to wielkość napięcia
mogąca być niebezpieczna dla zdrowia i życia. Zachować szczególną ostrożność.
Sprawdzić uziemienie obudowy zasilacza wysokiego napięcia. Nie otwierać obudowy
fotopowielacza przy włączonym napięciu i nie zdejmować osłon zasilacza.
Włączać zasilacz wysokiego napięcia po uprzednim sprawdzeniu prawidłowości
połączeń przez prowadzącego ćwiczenie.
VII. Układ doświadczalny
krzyształ
monochromator
lampa żarowa
lampa spektralna
chopper
fotopowielacz
nanowoltomierz fazoczuły
(lock-in)
8 płytka szklana
1
2
3
4
5
6
7
Schemat układu doświadczalnego (ze str. intern. prof. dr hab. Z. Postawy).
Elementy (1), (5) i (6) oraz układ zwierciadeł służący do formowania wiązki światła
znajdują się w światłoszczelnej komorze, przylegającej do szczeliny wyjściowej
monochromatora.
Monochromator
Monochromator jest urządzeniem służącym do wyselekcjonowania z widma
wprowadzonej wiązki światła, pewnego, możliwie wąskiego przedziału długości fal o zadanej długości
centralnej, dając na wyjściu wiązkę światła monochromatycznego. Główną częścią monochromatora jest
element dyspersyjny, którym może być pryzmat lub siatka dyfrakcyjna. Po przejściu przez taki element, z
wiązki światła zostają wydzielone składowe o różnych długościach fali. Powoduje to, że przez wąską
szczelinę wyjściową, umieszczoną w stosunkowo dużej odległości, przechodzi tylko niewielka część
2
II Pracownia Fizyczna, S2
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
widma. Odpowiednia zmiana położenia pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej umożliwia skierowanie na
szczelinę innego fragmentu rozszczepionej wiązki odpowiadającego innym długościom fali.
W doświadczeniu użyto monochromatora pryzmatycznego SPM-2. W celu przyporządkowania
odpowiednim położeniom pryzmatu określonych długości fali należy sporządzić krzywą kalibracjną, tzw.
krzywą dyspersji monochromatora. Polega to na przepuszczeniu przez monochromator wiązki światła o
widmie dyskretnym (np. z lampy spektralnej) o odpowiednio dużej ilości linii, dla których znane są
długości fal. W takim przypadku detektor zarejestruje niezerowe natężenie światła tylko dla pewnych
ustawień pokrętła obracającego pryzmatem, którym odpowiadają kolejne długości fal linii z widma.
Zaznaczając na wykresie tak otrzymane punkty pomiarowe i przeprowadzając przez nie krzywą ciągłą,
otrzymujemy zależność długości fali w funkcji położeń pryzmatu.7
Fotopowielacz Fotopowielacz jest jednym z najczulszych detektorów światła. Zasada jego działania
oparta jest na efekcie fotolektrycznym. Foton padając na jedną z elektrod, między którymi przyłożono
napięcie, powoduje wybicie elektronu z jej powierzchni. Elektron ten zostaje uniesiony zgodnie z
kierunkiem pola elektrycznego, czego skutkiem jest przepływ prądu. Aby zwiększyć czułość takiego
detektora, między elektrodami przykładane jest ogromne napięcie, ułatwiające uwalnianie elektronów z
katody pod wpływem padająch fotonów. Ponadto, stosowany jest dodatkowy układ elektrod tzw. dynod,
w takiej geometrii, aby elektron uwalniany z katody padał na pierwszą dynodę uwalniając z niej, w
wyniku tzw. efektu wtórnej emisji elektronowej, odpowiednio większą liczbę elektronów. Następnie
dzięki odpowiedniemu wyprofilowaniu elektrod i przyłożonemu napięciu, strumień elektronów jest
powielany na kolejnych dynodach. Taka geometria jest kluczową cechą fotopowielacza (stąd nazwa),
pozwalającą na rejestrację pojedynczych fotonów niosących mikroskopowe wartości energii, w postaci
impulsów elektrycznych o już mierzalnych, choć niskich, wartościach wymagających precyzyjnej
detekcji.
3
II Pracownia Fizyczna, S2
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
VIII. Wykonanie ćwiczenia
Doświadczenie prowadzące do wyznaczenia wartości przerwy wzbronionej
półprzewodnika polega na pomiarze współczynnika transmisji kryształu w funkcji energii
padającego nań promieniowania. Można to wykonać według następującego planu:
1. Justowanie układu optycznego (przy niewłączonym zasilaczu fotopowielacza!!!) :
 zogniskować wiązkę światła lampy żarowej na szczelinie wejściowej
monochromatora
 ustawić lampę spektralną w takiej pozycji, aby wiązka światła po odbiciu od
płytki szklanej była również zogniskowana na szczelinie wejściowej
monochromatora
 ustawić pryzmat monochromatora w pozycji dającej w szczelinie wyjściowej
długość fali około 540nm (światło zielone, przyjazne dla oka)
 otworzyć na pełną szerokość (1,5mm) szczelinę monochromatora oraz zdjąć
pokrywę światłoszczelnej komory
 zogniskować wiązkę światła na powierzchni czynnej fotopowielacza
(ruchome zwierciadło wklęsłe)
 ustawić w wiązce światła uchwyt próbek w pozycji „pusta oprawka bez
kryształu” (blisko fotopowielacza)
 zamknąć szczelnie pokrywę komory i zamknąć szczelinę monochromatora
2. Podłączenie zasilania fotopowielacza w obecności prowadzącego ćwiczenie! (1000
– 1200V).
3. Dobór szerokości szczeliny, przesunięcia fazowego sygnału odniesienia i czułości
detektora fazoczułego (maksimum sygnału dla linii Hg 546nm ).
4. Rejestracja widma lampy spektralnej (do krzywej dyspersji monochromatora).
5. Rejestracja widma światła obu lamp, przechodzącego przez pustą oprawkę ( I0 ).
6. Wyłączenie zasilania fotopowielacza, otwarcie pokrywy komory światłoszczelnej i
szczeliny monochromatora oraz ustawienie uchwytu próbek do pozycji „oprawka z
kryształem”. Monochromator ustawiony dla długości fali 546nm.
7. Po zamknięciu komory i uruchomieniu detekcji, rejestracja widma światła obu lamp,
przechodzącego przez kryształ ( It ).
Przestrajanie monochromatora (zmiana długości fali) realizowane jest automatycznie za
pomocą silnika krokowego. Należy dobrać odpowiednią prędkość przesuwu, aby zapis
widma w programie komputerowym był prawidłowy. Opis użytkowania programu znajduje
się przy stanowisku pomiarowym.
Należy pamiętać, aby rejestracja wszystkich widm odbywała się przy tych samych
parametrach programu!
4