INSTYTUT FIZYKI
Laboratorium Fizyki Ciała Stałego
Ćwiczenie nr 5
Absorpcja światła w półprzewodnikach
Wyznaczanie krawędzi absorpcji
Opracowali:
dr Eugeniusz Dudziak
dr Janusz Bożym
I. Literatura
1. K.W. Szalimowa, Fizyka półprzewodników, PWN, 1974, W-wa, str. 325-350
2. P.S. Kiriejew - Fizyka Półprzewodników, PWN, Warszawa 1971,
str. 558-562, 582-593
3. K. Sierański i in., Półprzewodniki i struktury półprzewodnikowe,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002,
rozd. IV.
4. J.I. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT,
Warszawa 1974, rozd. 3.
5. J. Misiewicz, Podstawy optyki ciała stałego, Oficyna Wydawni-
cza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002,
II. Opis układu pomiarowego
Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku. Pochodzący ze źródła strumień promieniowania podczerwonego jest skupiany przez zwierciadło Z1 i po przejściu przez modulator amplitudy wprowadzany do szczeliny wejściowej monochromatora. Na wyjściu monochromatora otrzymujemy strumień promieniowania z wąskiego przedziału długości fali λ÷Δλ. Strumień ten zwierciadło Z3 skierowuje na detektor. Sygnał napięciowy detektora o częstotliwości równej częstotliwości modulacji amplitudy natężenia promieniowania zostaje wzmocniony i zmierzony przez miernik typu lock-in. Częstotliwość sygnału, który ma być wzmacniany ustalana jest przez miernik na podstawie sygnału odniesienia podawanego bezpośrednio z modulatora.
Mierzone napięcie jest proporcjonalne do strumienia (mocy) promieniowania padającego na detektor. Zastosowanie silnika krokowego do zmiany długości fali promieniowania wychodzącego z monochromatora pozwala na przeprowadzenie dwóch serii pomiarów dla zakresu długości fali obejmującego krawędź absorpcji podstawowej (samoistnej). Jedna seria powinna być przeprowadzona gdy strumień promieniowania przechodzi przez absorbent (badaną próbkę), a druga gdy próbka jest usunięta z drogi strumienia świetlnego. Realizuje się to ustalając odpowiednią pozycję przesuwnego stolika, na którym zamocowano kriostat wraz z próbką.
III. Przebieg pomiarów:
Zestawić układ pomiarowy jak na rysunku.
Włączyć miernik lock-in do sieci.
Włączyć zasilacz halogenu (źródła światła).
Posługując się kartką papieru jako ekranem otrzymać ostry obraz włókna żarówki halogenowej w płaszczyźnie szczeliny wejściowej monochromatora.
Włączyć do sieci modulator.
Ustawić szczeliny monochromatora na maksymalną szerokość.
Pokrętło obracające pryzmatem monochromatora ustawić na działkę odpowiadającą fali z obszaru widzialnego.
W sposób podobny jak w punkcie 3 otrzymać ostry obraz szczeliny wyjściowej monochromatora na fotoczułej powierzchni detektora.
Zmniejszyć szczelinę monochromatora (do ok. 0.1 mm).
Włączyć zasilacz detektora (U=70 V).
Ustawić ruchomy stolik w takiej pozycji, aby próbka znalazła się na drodze promieniowania.
Zmieniając ręcznie długość fali wychodzącej z monochromatora ustalić w przybliżeniu położenie krawędzi absorpcji podstawowej. Ustalić końce przedziału długości fali, w którym przeprowadzone będą pomiary (sugerowane wartości λpocz=0.82μm, λkoń.=1μm).
Ustawić monochromator na początkową długość fali λpocz.
Włączyć sterownik silnika krokowego. (Aby nie zniszczyć silnika krokowego wszelkie zmiany długości fali na monochromatorze muszą być dokonywane przy wyłączonym sterowniku!!!)
Uruchomić program komputerowy cw5.exe do sterowania pomiarami i rejestracji mierzonego sygnału. Po skończonej serii pomiarów program sam się wyłącza.
Wyłączyć sterownik silnika krokowego.
Usunąć próbkę z drogi promieniowania (promienie przechodzą przez szczelinę w kriostacie) i powtórzyć czynności z pkt. 13÷16.
Zalać kriostat azotem i powtórzyć czynności z pkt. 11÷17.
Zgrać pliki z wynikami pomiarów na dyskietkę.
Wykonać wykresy kwadratu współczynnika absorpcji w funkcji energii fotonów dla temperatury pokojowej oraz ciekłego azotu.
Oszacować szerokość przerwy energetycznej Eg dla obu temperatur.
Obliczyć uśredniony temperaturowy współczynnik przerwy wzbronionej
.
Uwagi dotyczące korzystania z programu komputerowego cw5.exe do obsługi pomiarów.
Program cw5.exe napędza silnik krokowy umożliwiając przeprowadzenie wielu serii pomiarów sygnału napięciowego proporcjonalnego do strumienia promieniowania dla tych samych długości fal z wybranego zakresu. Program w trakcie wykonywania jednej serii pomiarów sporządza wykres napięcia od długości fali. Po skończonej serii długości fal oraz napięcia są zapisywane do pliku w postaci kolumn co umożliwia późniejsze obrabianie danych np. w Excel'u.
Ścieżka dostępu do programu: C:\CW5\cw5.exe. Po uruchomieniu programu pojawia się tabela, którą należy wypełnić podając:
sześcioznakową nazwę pliku (rozszerzenie .dat dopisywane jest samo),
początkową i końcową długość fali λpocz, λkoń.
początkową i końcową wielkość fazy odpowiednio 0.0 oraz 10.0 (fazy nie mierzymy),
temperaturę,
zakres wyjścia miernika lock-in (=10.0V).
Po wprowadzeniu i zaakceptowaniu odpowiednich wartości, na ekranie pojawiają się osie. Uruchomienie pomiarów rozpocznie się po wciśnięciu klawisza p. Jeżeli chcemy zakończyć program w trakcie pomiarów nie czekając, aż długość fali dojdzie do λkoń. należy wcisnąć klawisz k.
Badaną próbką jest warstwa InGaAs o grubości 400 nm na podłożu GaAs o grubości 400 μm.
Przyjąć, że w badanym zakresie współczynnik odbicia R=0.25.
Wyszukiwarka