pomiar energii aktywacji kryształów półprzewodnikowych

Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, Z20
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.
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, Z20
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
1 krzyształ
2 monochromator
3 lampa żarowa
4 lampa spektralna
5 chopper
6 fotopowielacz
7 nanowoltomierz
fazoczuły (lock-in)
8 płytka szklana
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
II Pracownia Fizyczna, Z20
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
odległości, przechodzi tylko niewielka część 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.
Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński
II Pracownia Fizyczna, Z20
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!