z B Z E S Z Y T Y
N A U K O W E
P O L I T E C H N I K I
Ś l ą s k i e j
y\'
M A R I A N N O W A K
ZJAWISKO FOTOMAGNETOELEKTRYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH
I JEGO ZASTOSOWANIA
■ ■ ■ ■ ■
** - ,*«->
M A T E M A T Y K A - F I Z Y K A
Z . 5 0
G L I W I C E 1 9 8 5
a
Z J A W IS K O
F O TO M A G N E TO E LE K TR YC ZN E W P Ó Ł P R Z E W O D N IK A C H
I JEGO Z A S T O S O W A N IA P O LITE C H N IK A ŚLĄSKA
Z E S Z Y T Y N A U K O W E
Nr 857
G L I W I C E 1 9 8 5
O P IN IO D A W C Y :
P rof. dr hab. S ław om ir Kończak P rof. dr hab. inż. Józef P iotrow sk i
K O L E G IU M R E D A K C Y J N E
R E D A K T O R N A C Z E L N Y — Prof. dr hab. inż. W iesław Gabzdyl R E D A K T O R D Z IA Ł U — Prof. dr hab. S ław om ir Kończak S E K R E T A R Z R E D A K C J I — M gr Elżbieta Stinzing
C Z Ł O N K O W IE K O L E G IU M — Prof. dr hab. inż. A d o lf M aciejny
— Prof. dr inż. Stanisław M alzacher
— Prof. dr hab. inż. Bronisław Skinderowicz
O P R A C O W A N IE R E D A K C Y J N E M gr Roma Łoś
W ydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej
P L IS S N 6072-470X
Dział W yd a w n ictw P olitech n iki Śląskiej ul. K ujaw ska 3, 44-100 G liw ic e
N a k l . 153+85 A r k . w y d . 29,85 A r k . d r u k . 22.875 P a p i e r o f f s e t , k l. 111.70x100,70 g O d d a n o d o d r u k u 29.07.85 P o d p i s . d o d r u k u 15.10.85 D r u k u k o ń c z , w l i s t o p a d z i e 1985
Z a m . 790185 K -2 3 C e n a z ł 448,—
Skład, fotokopie, druk i opraw ę
wykonano w Zakładzie G raficznym Politechniki Śląskiej
w
Gliwicachf h T \ \ ^ ę >
SPIS TREŚCI
Str.
1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ .... 19
2. WSTfP, CEL I ZAKRES PRACY ... . ... 27
3. PODSTAWY TEORII ZJAWISKA FOTOMAGNETO E L E K T R Y C Z N E G O... 35 3.1. Rozkład natężania światła w półprzewodniku ... 35 3.2. Podstawowe równania fenomenologicznej teorii zjawiska FME 51
4. ZJAWISKO FOTOMAGNETOELEKTRYCZNE W IZOTROPOWYM. JEDNORODNYM
PÓŁPRZEWODNIKU W WARUNKACH STAŁEGO OŚWIETLENIA ... 57 4.1. Zależność nieparzystego zjawiska FME od polaryzacji, kęte
padania oraz współczynnika załamania promieniowania w pół
przewodniku ... 65 4.2. Zależność nieparzystego zjawiska FME od pola magnetycznego 83 4.3. Zależność nieparzystego zjawiska FME od współczynnika po
chłaniania i długości fali promieniowania padającego na
p ó ł p r z e w o d n i k ... 95
4.4. Zależność nieparzystego zjawiska FME od wartości parame
trów charakteryzujących rekombinację i koncentracje nośni
ków ładunku w badanym materiale ... 102 4.5. Wpływ rozmiarów próbki na nieparzyste zjawisko FME ... 108 4.6. Nieparzyste zjawisko FME w półprzewodnikach oświetlonych
promieniowaniem o dużym natężeniu ... 113 4.7. Parzyste zjawisko fotomagnetoelektryczne w półprzewodni
kach izotropowych ... 118
5. ZJAWISKA WSPÓŁWYSTEPUJĄCE LUB DAJĄCE PODOBNY EFEKT JAK BIPOLAR
NE ZJAWISKO FOTOMAGNET(JELEICTRYCZNE ... 121 5«l. Monopolarne zjawisko fotomagnetoelektryczne . . . ■ . 1 2 1 5.2. Efekt fototerraomagnetoelektryczny ... 123 5.3. Efekt fotop^dowoinagnatoelektryczny ... 126 5.4. Zjawisko fotomagnetoelektryczne w pró b c e , do której przy
łożono zewnętrzne pole elektryczne ... 127
- 4 -
5.4.1. Fotoprzewodnictwo w przypadku przyłożenia do próbki słabego pola elektrycznego ... 130
6. ZJAWISKO FOTOMAGNETOELEKTRYCZNE WYŚTEPUJĄCE W PÓŁPRZEWODNIKACH ANIZOTROPOWYCH LUB NIEJEDNORODNYCH, W NIEJEDNORODNYCH POLACH
MAGNETYCZNYCH LUB W WARUNKACH IMPULSOWEGO OŚWIETLENIA ... 137 6.1. Zjawisko FME w półprzewodnikach anizotropowych ... 137 6.2. Objętościowe zjawisko FME ... 140 6.3. Zjawisko FME w półprzewodnikach przestrzennie niejedno
rodnych pod względem wartości czasu życia nośników ładunku e l e k t r y c z n e g o ... . 144 6.4. Zjawisko Ff-E w strukturach półprzewodnikowych z gradientem
szerokości przerwy energetycznej ... 146 6.5. Zjawisko Ft€ na złączu p-n i w próbkach, w których wystę
puje wysokonapięciowy efekt fotowoltaiczny ... 157 6.6. Zjawisko FME w półprzewodniku z przypowierzchniową w a r
stwę ładunku przestrzennego oraz w strukturze półprzewodni
kowej z planarnym złączem p-n ..i... 165 6.7. Zjawisko F!*£ w półprzewodnikach zawierających mikrowtręce-
nia o większej przewodności elektrycznej ... 170 6.8. Zjawisko FME w niejednorodnym polu magnetycznym ... 177 6.9. Zjawisko FME w warunkach impulsowego oświetlenia ... 179
7. SPECYFIKA ZJAWISKA FOTOMAGNETOELEKTRYCZNEGO WYSTĘPUJĄCEGO W NIS
KICH TEMPERATURACH ORAZ V» KWANTUJĄCYCH POLACH MAGNETYCZNYCH ... 185 7.1. Zjawisko FME na gorących nośnikach ładunku elektrycznego 185
7.1.1. Wpływ energii fotonów na wywołane nimi zjawisko FME
na gorących nośnikach ładunku elektrycznego ... 190 7.1.2, Zależność zjawiska FME na gorących nośnikach łecun-
ku elektrycznego od natężenia promieniowania poda
jącego na próbkę, wartości indukcji pola oagnetycz-
nego oraz temperatury próbki ... 195 7.2. Zjawisko FME w kwantujących polach m a g n e t y c z n y c h 199 7.2.1. Oscylacje typu Szubnikows-de Haasa w Zjawisku FME 202 7.2.2. Magnetofononcwe oscylacje w zjawisku FME ... 205 7.2.3. Wpływ magnetoabsorpcji na zjawisko FME ... 207
6. WYKORZYSTANIE ZJAWISKA FOTOMAGNETOELEKTRYCZNEGO W BADANIACH
MATERIAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH ... 209 8.1. Ogólne uwagi dotyczące konstrukcji aparatury pomiarowej
oraz metodyki badań zjawiska FME ... 218 Str.
- 5 -
Str.
8.2. Wyznaczanie rekombinacyjnych parametrów półprzewodników na podstawie wyników pomiarów bezwzględnych wartości natęże
nia prądu zwarciowego lub napięcia elektrycznego wywoła
nego zjawiskiem FME ... 222 8.2.1. Badanie zjawiska Ft-£ w tzw. grubych próbkach ... 222 8.2.2. Badanie zjawiska FME w próbkach cylindrycznych .... 223 8.3. Metody wyznaczania parametrów półprzewodników polegająca
na porównaniu wyników badań zjawiska FME z wynikami badań
innych efektów fotoelektrycznych ... 224 8.3.1. Porównanie wyników badań zjawiska FME oraz foto-
przewodnictwa ... 226
8.3.2. Metoda kompensacji zjawiska FME za pomocą zmiany spodku napięcia w próbce wywołanego fotoprzewodnic-
twem ... 229 8.3.3. Porównanie wyników badań zjawiska FME i napięcia
elektrycznego poniędzy oświetloną i nieoświetloną
powierzchniami próbki ... 233 8.3.4. Porównanie wyników badań parzystego i nieparzyste
go zjawiska FME ... 234 8.4. Metody badania półprzewodników polegające na obserwacji
widmowych zależności zjawiska FME ... 235 8.4.1. Metoda wyznaczania parametrów półprzewodnika na
podstawie widmowych badań zjawiska FME w zakresie długości fal odpowiadających stosunkowo silnie
pochłanianemu promieniowaniu ... 235 8.4.2. Metoda A j y g wyznaczania parametrów półprzewodników 238 8.4.3. Metoda wyznaczania zależności współczynnika wydaj
ności kwantowej od długości fali promieniowania bardzo silnie pochłanianego w badanym półprzewodni
ku ... 239 8.4.4. Badanie widmowej zależności napięcia kompensacji
zjawiska FME fotoprzewodnictwem ... 241 8.4.5. Porównywanie widmowych zależności zjawiska FME i
fotoprzewodnlctwa ... 241
8.4.6. Numeryczne dopasowywanie zależności teoretycznych
do wyników widmowych badań zjawiska F M E . . . 242 8.5. Badanie war3tw powierzchniowych oraz objętości półprzewod
ników na podstawie obserwacji zależności zjawiska Fl^ od
polaryzacji i kąta padanis promieniowania na próbkę ... 244 8.5.1. Badanie widmowej zależności stosunku sygnałów wywo
łanych zjawiskiem F M E przy oświetleniu próbki
promieniowaniem o różnej polaryzacji ... 245 8.5.2. Porównanie wyników badań zjawiska F M E przy oświe
tleniu przeciwległych powierzchni próbki ... 246
- 6 -
8.6. Metody badania półprzewodników wykorzystujące zależność zjawiska FME od wartości indukcji pola magnetycznego oraz od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego przyłożonego
do badanej próbki ... ... 247
8.6.1. Metoda Kurnicka i Zittera ... 248 8.6.2. Metoda kompensacyjna w polach magnetycznych o róż
nej wartości indukcji ... 253 8.6.3. Numeryczne dopasowywanie ogólnych zależności teo
retycznych do wyników badań zależności zjawiska
FME od wartości indukcji pola magnetycznego ... 255 8.6.4. Badanie zależności zjawiska FME od wartości in
dukcji pola magnetycznego oraz od natężenia zewnę
trznego pola elektrycznego przyłożonego do badanej
próbki ... 258
8.7. Metody badania półprzewodników polegające na badaniu zja
wiska FME w warunkach silnego oświetlenia próbek ... 258 8.7.1. Badanie widmowej zależności napięcia wywołanego
zjawiskiem FME w warunkach oświetlenia próbki
promieniowaniem o dużym natężeniu ... 259 8.7.2. Metoda badania półprzewodników na podstawie pomia
ru napięcia wywołanego zjawiskiem FME w warunkach oświetlenia próbki silnie pochłanianym promienio
waniem o dużym natężeniu ... 260 8.8. Metody badania półprzewodników polegające na obserwacji
zależności zjawiska FME od zmian natężenia oświetlenia i
wartości indukcji pola magnetycznego w czasie ... 261 8.8.1. Badanie kinetyki zjawiska FME przy impulsowym
oświetleniu próbki ... 262
8.8.2. Metoda badania półprzewodników poprzez obserwację zależności zjawiska FME od częstotliwości modula
cji natężenia oświetlenia ... 262 8.8.3. Pomiar różnicy faz pomiędzy sygnałami wywołanymi
zjawiskiem FME i fotoprzewodnictwem przy sinusoi
dalnie modulowanym natężeniu oświetlenia ... 264 8.8.4. Zjawisko FME w zmiennym polu magnetycznym ... 265
8.9. Bezkontaktowe metody FME badania własności półprzewodni
ków ... 265
8.9.1. Bozkontaktowa metoda FME badania półprzewodników w warunkach równomiernego oświetlenia powierzchni
badanej próbki ... ... 266 8.9.2. Bezkontaktowe metoda FME badania punktowo oświe
tlonych półprzewodników ... 270 Str.
i
- 7 -
8.9.3. Bozkontaktowa metoda FME badania półprzewodników
w cylindrycznej konfiguracji eksperymentu ... 272
8.10. Metody badania niejednorodnych półprzewodników wykorzy
stujące zjawisko FME ... 273
8.10.1. Wyznaczanie ruchliwości nośników ładunku elek
trycznego w niejednorodnych półprzewodnikach po
przez badanie objętościowego zjawiska FME ... 275 8.10.2. Badanie materiałów półprzewodnikowych zawierają
cych mikrowtrącenia o większej przewodności elek
trycznej ... 278 8.10,2a. Metoda polegająca na obserwacji zjawiska
FME w próbkach o różnych kierunkach uło
żenia aikrowtrąceń ... 278 8.10.2b. Metoda polegająca na porównaniu wyników
obserwacji zjawiska FME i poprzecznego
efek;u fotodyfuzyjnego ... 278 8.10.2C. Badanie zależności zjawiska FME od pola
magnetycznego ... 279 8.10.3. Bedanie widmowe zjawiska FME w półprzewodni
kach wykazujących wysokonapięciowe efekty foto-
woltaiczne ... 279
8.11. Metody badania anizotropowych półprzewodników polegające
na obserwacji zjawiska FME ... 281
8.11.1, Porównanie wyników badań zjawiska FME i poprzecz
nego efektu Dembera ... 283
9. FOTOMAGNETOELEKTRYCZNE DETEKTORY PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNE
TYCZNEGO ... 287
9.1. Parametry detektorów podczerwieni używane do opisu detek-
, torów FME ... •«..., 291
9.2. Zależność wartości parametrów detektorów FME od własności fizycznych i geometrycznych wymiarów elementów półprze
wodnikowych ... 297 9.3. Charakterystyczna dla detektorów FME temperatura "martwa”
źródła rejestrowanego promieniowania ... 302
9.4. Zastosowanie detektorów FME ... 307
10. WYKORZYSTANIE ZOAWISKA FOTOMAGNETOELEKTRYCZNEGO W BADANIACH
PÓL M A G N E T Y C Z N Y C H ... 311 Str.
- 8 -
11. UWAGI K O L C O W E ... ...o... 314
LITERATURA ... 317
STRESZCZENIA ... 336
Str.
С ОД ЕР Ж А Н И Е
Стр.
1
.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ... 192 . ВВЕДЕНИЕ, ЦЕЛЬ И ОБЪ&1 Р А Б О Т Ы . ,... .,... 27 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФОТОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО Э Ф Ф Е К Т А ... ... 35 3.1. Распределение интенсивности света в полупроводнике .... 35 3.2. Основные уравнения феноменологической теории ФМЗ эффекта .. 51 4. ФОТОМАГВ1ТОЗЛЕКТРИЧ£ХЖИИ -ЭФФЕКТ В ИЗОТРОПНОМ, ОДНОРОДНОМ ПОЛУ
ПРОВОДНИКЕ В УСЛОВИЯХ ПОСТОЯННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ... 57 4.1. Зависимость нечетного ФМЭ эффекта от поляризации, угла па
дения и показателя преломления света в полупроводнике ... 65 4.2. Зависимость нечетного ФМЗ эффекта от магнитного поля ... 81 4.3. Зависимость нечетного ФМЗ эффекта от коэффициента поглощения
и длины волны света падающего на полупроводник .. 95 4.4. Зависимость нечетного ФМЗ эффекта от параметров характери
зующих рекомбинацию и концентрацию носителей заряда в иссле
дованном материале ... 100
4.5. Влияние размеров образца на нечетный ФМЗ аффект ... 108 4.6. Нечетный ФМЭ эффект в сильно освецекых полупроводниках .... 113 4.7. Четный ФМЭ аффект в изотропных полупроводниках ... 118
■5. ЭФФЕКТЫ СВЯЗАННЫЕ С БИПОЛЯРНЫМ ФОТОМАГНИТОЗЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТОМ 121 5.1. Монополярный фотомагнитоэлектрический эффект ... 121 5.2. Фототерисмагнитоэлектрический эффект ... 113 5.3. Светоэлектрический э ф ф е к т ... 126 5.4. Фотомагнитоэлектрический эффект в образце к которому прило
жено внеиние электрические поле ... 127 5.4.1. Фотопроводимость в условиях приложения к образцу сла
бого электрического поля ... 130 6. ФОТОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В АНИЗОТРОПНЫХ ИЛИ НЕОДНОРОДНЫХ
П О ЛУПРОВОДШКАХ, В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ И ПРИ ИМПУЛЬСНОМ
ОСВЕЩЕНИИ ... 137
6.1. ФМЗ эффект в анизотропных полупроводниках ... 137
6.2. Объёмный ФМЗ эффект ... 140
6.3. ФМЭ эффект в полупроводниках неоднородных в отноиении вре
мени жизни носителей тока ... 144
6.4. ФМЗ эффект в вари зонных п о л у п р о в о д н и к а х ... 146 6.5. ФМЭ эффект аа р-п переходе н в образцах в которых высту
пает аномальный фотовольтаический эффект ... 157
- 1 0 -
4
c *p»6.6. ФМЭ эффект в полупроводниках с приповерхностным слоем про
странственного заряда а также в полупроводниковой структуре
с планарным р-n переходом ... ... 165 6.7. ФМЭ эффект в полупроводниках с внутренними электрическими
закоротками ... 170 6.8. ФМЭ эффект в неоднородном магнитном п о л е .... 177 6.9. Нестационарный ФМЭ эффект .... ... . 179 7. СПЕЦИФИКА ФОТОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ВЫСТУПАЮЩЕГО В НИЗ
КИХ ТЕМПЕРА ТУРАХ И В КВАНТУЮЩИХ МАГНИТНЫХ П О Л Я Х ... 185 7.1. ФМЭ эффект на горячих носителях з а р я д а ... 185
7.1.1, Влияние энергии фотонов на ФМЭ эффект на горячих но
сителях заряда ... 190
7.1.2, Зависимость ФМЭ эффекта на горячих носителях заряда от интенсивности освещения, магнитного поля и темпе
ратуры образца ... 195
7.2. ФМЭ эффект в квантующих магнитных полях ... 199 7.2.1. Осциляции типа Шубникова-де Гааса в ФМЭ эффекте 202 7.2.2. Магнитофононные осциляции в ФМЭ эффекте ... 205 7.2.3. Влияние магнитоабсорпции на ФМЭ эффект ... 207 8. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОМАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ИССЛЕДОВАНИЯХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ ... ... 209
8.1. Общие замечания касающиеся измерительных установок и мето
дики исследований ФМЭ эффекта ... 218 8.2. Определение параметров рекомбинации из результатов абсолют
ных измерений ФМЭ тока или н а п р я ж е н и я ... . 222 8.2.1. Исследование ФМЭ эффекта в толстых пленках ... 222 8.2.2. Исследование ФМЭ эффекта в цилиндрических образцах . 223 8.3. Методы определения параметров полупроводников из сравнения
результатов исследований ФМЭ и других фотоэффектов ... 224 8.3.1. Сравнение результатов исследований ФМЭ эффекта я фо
топроводимости ... 226
8.3.2. Компенсационный метод исследований ФМЭ эффекта ... 229 8.3.3. Сравнение результатов исследований ФМЭ аффекта и на
пряжения между освещенной и неосвещенной поверхностя
ми образца ... 233
8.3.4. Сравнение результатов исследований нечетного и чет
ного ФМЭ эффектов ... 234
8.4. Методы исследования полупроводников заключающиеся в наблю
дениях спектральных характеристик ФМЭ эффекта 235 8.4.1. Метод определения параметров полупроводников ка ос-,
нове спектральных исследований ФМЭ эффекта в диапа
зоне волн соответствующих относительно сильно погло
щаемому излучению ... «... 235
8.4.2, Метод определения, параметров полупроводников .. 238
.. li f-. Стр.
8.4.3. Метод исследования спектральной зависимости коэффи
циента квантового выхода для очень сильно поглощае
мого излучения ... 239
6.4.4, Исследование спектральной зависимости напряжения
компенсации ФМЗ эффекта ф о т о п р о в о д и м о с т ю 241 8.4.5. Сравнение спектральных зависимостей ФМЭ эффекта и
фотопроводимости ... 241 8.4.6, Цифровой подбор теоретической зависимости к резуль
татам спектральных исследований ФМЭ э ф ф е к т а 242 8.5. Исследование поверхностных слоев и объёма полупроводников
заключающиеся в наблюдениях зависимости ФМЭ эффекта от поля
ризации и угла падения света ... 244 8.5.1. Исследование спектральной зависимости отношения ФМЭ
сигналов для различных поляризации излучения ... 245 8.5.2. Сравнение результатов исследований ФМЭ эффекта при
освещении противоположных поверхностей образца ... 246 8.6. Методы исследования полупроводников использующие зависимо
сти ФМЭ эффекта от магнитного поля и внешнего электрическо
го поля приложенного к образцу ... 247 8.6.1. Метод Курницка-Циттера ... 248 8.6.2. Компенсационный метод в различных магнитных полях .. 253 8.6.3. Цифровой подбор общих теоретических зависимостей к
результатам исследований зависимости ФМЭ эффекта от
магнитного поля ... 255
8.6.4. Исследование зависимости ФМЭ эффекта от внешнего
электрического поля приложеного к образцу ... 258 8.7. ■ Методы исследования полупроводников в условиях сильного осве
щения ... 258
8.7.1. Исследование спектральной зависимости ФМЭ эффекта в условиях сильного освещения ... 259 8.7.2. Метод исследования полупроводников базирующийся на
исследованиях ФМЭ эффекта в условиях сильной абсорп- ции излучения большой интенсивности ... 260 8.8. Методы исследования полупроводников из наблюдений зависи
мости ФМЭ эффекта от изменений интенсивности света и индук
ции магнитного поля, во времени 261
8.8.1. Исследование кинетики ФМЭ эффекта при импульсном
освещении п о л у п р о в о д н и к а ... 262 8.8.2. Метод исследования полупроводников основан на наблю
дениях зависимости ФМЭ эффекта от частоты модуляции интенсивности с в е т а ... 262 8.8.3. Измерение разности фаз между сигналами ФМЭ и фото
проводимости в условиях синусоидальной модуляции
интенсивности света ... 264
8.8.4. ФМЭ эффект в переменном магнитном поле ... 265
8.9. Бесконтактное методы ФМЭ исследований полупроводников ....» 26S - 1 1 -
8.9.1. Бесконтактный метод ФМЭ исследований полупроводников в условиях равномерного освещение поверхности образ
ца .«V.• ••••• 2.66
- 12 -
Стр.
8.9.2. Бесконтактный метод ФМЭ исследований точечно осве
щенного полупроводника ... 270
8.9.3, Бесконтактный метод исследования ФМЭ эффекта в конфигурации Корбино ... 272
8.10. ФМЭ методы исследования неоднородных полупроводников .... 2 73 8.10.1.Определение подвижности носителей заряда в неодно родных полупроводниках из исследования обёмного ФМЭ э ф ф е к т а ... 275
8.10.2.Исследование полупроводников с внутренними элек трическими закоротками ... 278
8.10.2а. Исследование ФМЭ эффекта в образцах с различно ориентированными закоротками ... 278
8.10.26. Сравнение результатов наблюдений ФМЭ и поперечного эффекта Дембера ... 278
8.10,2с. Исследование зависимости ФМЭ эффекта от магнитного п о л я ... 279
8.10.3.Спектральное исследование ФМЭ эффекта в полупро водниках, в которых проявляется аномальный фото- вольтаический эффект ... 279
8.11. ФМЭ методы исследований анизотропных полупроводников .... 281
8.11.1.Сравнение результатов измерений ФМЭ и поперечного эффекта Дембера ... 263
9. ФОТОМАГНИТОЭЛЕКУРИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. 287 9.1. Параметры детекторов ИК излучения применяемые для описа ния ФМЭ детекторов ... 291
9.2. Зависимость параметров ФМЭ детекторов от физических свойств и геометрических размеров полупроводниковых эле ментов ... 297
9.3. Характерна для ФМЭ детекторов "мёртвая температура“ источника излучения ... ... 302
9.4. Применение ФМЭ Детекторов ... 307
10. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФМЭ ЭФФЕКТА В ИССЛЕДОВАНИЯХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ .... 311
11. ЗАКЛЯНИ ТЕЛ ЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ ... 314
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ... 317
Р Е З Ш Е . ... 336
CONTENTS Pago 1. LIST OF SYMBOLS ... 19
2. INTRODUCTION ... 27
3. GENERAL FORMULATION ... 35
3.1. Distribution of radiation intensity in a semiconductor film bounded by non-absorbing layers ... 35
3.2. Basic equations of the phenomenological theory of PME effect ... 51
4. PHOTOMAGNETOELECTRIC EFFECT IN AN ISOTROPIC, HOMOGENEOUS SEMICONDUCTOR IN THE CASE OF STEADY ILLUMINATION ... 57
4.1. Dependence of the PME effect on polarization, angle of incidence and refractive index of r a d i a t i o n 65 4.2« Dependence of the PME effect on magnetic field ... 81
4.3. Dependence of the PME effect on absorption coefficient and wavelength of radiation ... 95
4.4. Dependence of the PME effect on recombination parameters and concentrations of carriers in the investigated semi conductor ... 102
4.5. Influence of the sample dimensions on the PME effect ... 108
4.6. PME effect in strongly illuminated semiconductors ... 113
4.7. Second order PME effect 118 5. EFFECTS CONNECTED WITH THE PHOTOMAGNETOELECTRIC EFFECT ... 121
5.1. Impurity photomagnetoelectric effect ... 121
5.2. Photothermomagnetoelectrie effect ... 123
5.3. Quantusimagnetoelectric effect ... 126
5.4. Field assisted photomagnetoelectric effect ... 127
5.4.1. Weak electric field photoconductivity in magnetic f i e l d ... 130
- 14 -
Page 6. PHOTOMAGNETOELECTRIC EFFECT IN ANISOTROPIC OR INHOMOGENEOUS SEMI
CONDUCTORS, IN AN INHOMOGENEOUS MAGNETIC FIELD, ANO IN THE CASE OF PULSED ILLUMINATION ... 137 6.1. PME effect in anisotropic semiconductors ... 137 6.2. Bulk photonagnetoelectric effect ... 140 6.3. PME effect in semiconductors with carrier lifetime depen
dent on the distance from sample surface ... 144 6.4. PME effect in greded-gap semiconductors ... 146 6.5. PME effect on p-n Junction and in samples with anomalous
high photovoltages ... 1 5 7 6.6. PME effect in semiconductors with space charge layers near
surfaces, and in semiconductor structures with planar p-n
Junctions ... 165
6.7. PME effect in semiconductors with raicroinclusions of low
resistivity m a t e r i a l ... 170
6.8. PME effect in an inhomogeneous magnetic field ... 177 6.9. PME effect in the case of pulsed illumination ... 179
7. PHOTOMAGNETOELECTRIC EFFECT AT LOW TEMPERATURE AND QUANTIZING
MAGNETIC F I E L D ... 185
7.1. PME effect of hot carries ... 185 7.1.1. Dependence of PME effect on photon energy in the
case of hot carriers . . . 1 9 0 7.1.2. Influence of radiation intensity, magnetic field,
and temperature on the PME effect of hot carriers .. 195 7.2. PME effect in quantizing magnetic field ... 1 99 7.2.1. Shubnikov - de Haas oscillations in the PME effect .. 202 7.2.2. Magnetophonon oscillations in the PME effect ... 205 7.2.3. Influence of magnetoabsorption on the PME effect .... 207
8. USING OF PHOTOMAGNETOELECTRIC INVESTIGATION FOR DETERMINING
SEMICONDUCTOR PARAMETERS ... ... 209
8.1. General comments on the apparatus and methods used in PME
i n v e s t i g a t i o n 218
8.2. Estimation of semiconductor parameters using the absolute values of short-circuit current or open-circuit voltage
caused by the PME effect 222
- 15 -
Page
8.2.1. Investigation of the PME effect in a thick sample .. 222 8.2.2. Investigation of the PME effect in a cylindrical
sample ... ••• 223
8.3. Methods of determining semiconductor parameter» using com
parison between the results of PME and other photoeffects 224 8.3.1. PME-photoconductivity ratio method ... 226 8.3.2. PME-photoconductivity compensation method of semi
conductor Investigation 229
8.3.3. Comparison of tha PME response with the photovoltage between illuminated and unilluminated surfaces of
the sample 233
8.3.4. Comparison between first order and second order PME responses ... 234
8.4. Methods of estimation semiconductor parameters using spectral distribution of the PME response ... 235 8.4.1. Spectral investigation of PME effect in the range of
relatively strongly absorbed radiation ... 235
8.4.2. Method ... ••••... » ... 238 8.4.3. Method of determining the dependence of quantum effi
ciency coefficient on wavelenght of radiation ....••••• 239 8.4.4. Spectral investigation of tha PME-photoconductivity
compensation voltage ... 241 8.4.5. Spectral investigation of the PME-photoconductivity
ratio ... 241
8.4.6. Numerical fitting of the spectral dependence of PME
effect ... 242
8.5. Estimation of a semiconductor surface film and bulk parameters using polarization and angular methods of PME investigation 244 8.5.1. Investigation on spectral dependence of the ratio of
Pt-H responses for plane-polarized radiation with e l e c tric vector in the plane of incidence and normal to it 245 8.5.2. Comparison of PME responses which are measured for
opposite side illuminations of the sample •••••••««•».. 246
8.6. Methods of semiconductor investigation based on the dependen
ces of PME effect on magnetic field and electric field applied to ths aaopl© •••••*••••*•♦*•••••#*•••••••••••••••••••••*•••»*
- 16 -
Page
8.6.1. Kurnick-Zitter method .... 248
8.6.2. PMi-photoconductivity in different magnetic fields 253 8.6.3. Numerical fitting of the dependence of PME effect
on magnetic field ... 255
8.6.4. Field-assieted PME method of semiconductor investi
gation ... 258
8.7. Estimation of semiconductor parameters using PME investiga
tion on etrongly illuminated samples ... 258 8.7.1. Spectral dependence of the open-circuit PME voltage in
the case of strong illumination ... 259 8.7.2. Measurement of the open-circuit voltage caused by the
PME effect in e sample 6trongly illuminated with
strongly absorbed radiation ... 260
8.8. PME methods of semiconductor investigation based on tisns-da-
pendent illumination and magnetic field ... 261 8.8.1. Investigation of PME effect in the case of ipulsed
illumination 262
8.8.2. High-frequency method of PfE investigation ... 262 8.8.3. Measurement of the phase difference between PME and
photoconductivity signals for sinusoidally modulated
radiation intensity ... 2 6 4 8.8.4. Investigation on PMjE effect in time-dependent magne
tic field ... 265
8.9. Estimation of semiconductor parameters using contactless
methods of PME investigation ... 265 8.9.1. Contactless method of PME investigation on uniformly
illuminated sample ... 266 8.9.2. Contactless method of PME investigation on point
illuminated sample 270
8.9.3. Cylindrical-hole method of contactless PME investiga
tion ... 272
8.1 0. PIE methods for determining parameters of inhomogeneous se
miconductors . . . 273 8,10.1. Determining of carrier mobility in inhomogeneous
semiconductors using bulk PME effect investigation 275
- 17 -
Page 8.10.2. Methods of determining parameters of semiconductors
with low resistivity aiicroinclusions ... 278 8.10.2a. PME investigation on samples with diffe
rent orientation of the microinclusions ». 278 8.10.2b. C o m p a r i s o n Of the PME response with trans
v e r s e p h o t o d i ffusion voltage ... 278 8.10.2c. Investigation of the dependence of PME
effect on magnetic field ... 279 8.10.3. PME methods of investigation on semiconductor layers
with anomalously high photovoltages ... 279 8.11. PME methods of determining parameters of anosotropic semicon
ductors ... 281
8.11.1. Comparison of the PME response and transverse Dember
photovoltage 283
9. PHOT0MAGNETGELECTRIC D ET EC T O R S OF INFRARED R A D I A T I O N 287 9.1. Parameters used for description of the PME detectors of
radiation ... . 291
9.2. I n f l u e n c e c f t h e photoelemant dimensions, and the recom
b i n a t i o n , t r a n s p o r t a n d optical parameter» of the photo- e l e m a n t m a t e r i a l on the performance of infrared PME
d e t e c t o r s ... . 297
9.3. “ D e a d t e m p e r a t u r e ” for PME detectors of infrared radia
tion .... ... ... ... 302 9.4. Application of the PME detectors of infrared radiation .. 307 10. PHOTOMAGNETOÉLECTRIC METHOD OF MAGNETIC FIELD INVESTIGATION .. 311 11. FINAL CONCLUSIONS AND REMARKS ... .. 314 REFERENCES ... ... . 317
SUMMARY 336
1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
a - wartość efektywnego współczynnika załamania promie r.iajsturtia w ba
danym materiale (patrz wzór (3.1.3)) 8 - wektor indukcji pola magnetycznego B - wartość indukcji pola magnetycznego c - prędkość propagacji światła w próżni CK - przewodnictwo cieplne badanego materiału
O - ambipolarny współczynnik dyfuzji nośników ładunku elektrycznego w półprzewodniku (patrz wzór (4.0.5))
0* - wykrywalność znormalizowana detektora FME De , - współczynniki dyfuzji elektronów i dziur e - ładunek elektronu
? - natężenia pola elektrycznego f * - natężenie pola elektrochemicznego
(T8 , E^ - efektywne natężenia wewnętrznego pola elektrycznego dzlałajęce- go na elektrony i dziury w półprzewodniku (patrz wzory (6.4.1) i (6.4.2))
Eg - szerokość przerwy energetycznej badanego półprzewodnika
Ey , Ec - wartości energii odpowladajęce górnej krawędzi pasma walencyjne
go oraz dolnej krawędzi pasma przewodnictwa
Ex - natężenie pola elektrycznego przyłożonego do próbki w badaniach fotoprzewodnictwa
Eoc - natężenie pola elektrycznego wywołanego zjawiskiem FME f - częstotliwość mierzonego sygnału FME
fj, f0 - częstotliwości modulacji natężenia promieniowania oraz wartości indukcji pola magnetycznego
A f - szerokość pasma częstotliwości rejestrowanych sygnałów FME - fotomagnetoelektryczny
FME-SW - zjawisko fotomagnet©elektryczne w strukturach wielozłęczowych FTME - fototermomagnetoelektryczny
FV - fotowoltaiczny
- 20 -
fg| - czynnik rozszczepienia spektroskopowego
Ge# Gh - szybkości generacji swobodnych elektronów i dziur G0 - przewodność elektryczna nieoświetlonej próbki
Gq - liczba par nośników ładunku generowanych światłem w ciągu i se
kundy na powierzchni i m2
a G - zmiana przewodności elektrycznej próbki wywołana światłem i G p , i G 9 - zmiany przewodności elektrycznej próbki wywołane liniowo spo
laryzowanym promieniowaniem o wektorze natężenia pola elek
trycznego równoległym lub prostopadłym do płaszczyzny podania GSPE - gradient szerokości przerwy energetycznej
h - stała Plancka
ik - natężenie prądu płynącego przez próbkę w warunkach kompensacji zjawiska FME za pomocą zmiany spadku napięcia elektrycznego na próbce wywołanego fotoprzewodnictwsm
I - natężenie promieniowania (w fotonach)
I i - n a t ę ż e n i e promieniowania padającego n a próbkę
lp . I s - n a t ę ż e n i e liniowo spolaryzowanego promieniowania wnikającego do próbki (wyrażone w liczbie fotonów, patrz wzór (3.1.2)).
I n d e k s y p, s odpowiadają promieniowaniu o wektorze natęże
nia pola elektrycznego równoległym i prostopadły® do płaszczy
zny padania promieniowania na próbkę
*e[Iex' Iey* Iez]' ^h[*hx' 1hy' *hz]
" wektory
gęstości natężania prądu elektronowego i dziurowegoI p - n a t ę ż e n i e prądu w y w o ł a n e g o poprzecznym z j a w i s k i e m f o t o w o l t a - i c z n y m
I p V - n a t ę ż e n i e p r ę d u z w a r c i o w e g o w y w o ł a n e g o z j a w i s k i - a f o t o w o l t a - i c z n y n
I p c - n a t ę ż e n i e p r ę d u f o t o p r z e w o d n i c t w a
J-FHŁ - n a t ę ż e n i e p r ą d u z w a r c i o w e g o w y w o ł a n e g o z j a w i s k i e m FME
I v - e f e k t y w n a n a t ę ż e n i e p r o m i e n i o w a n i a w n i k a j ą c e g o d o w a r s t w y p ó ł p r z e w o d n i k a ( w y r a ż o n e w f o t o n a c h ) , o p i s a n e w z o r e m (3.1.2) k - w s p ó ł c z y n n i k p o c h ł a n i a n i a promieniowania w badanym materiale k 0 - e f e k t y w n y w s p ó ł c z y n n i k p o c h ł a n i a n i a p r o m i e n i o w a n i a , 2 a l s ż ę c y
o d k ą t a p a d a n i a p r o m i e n i o w a n i a n a p ó ł p r z e w o d n i k (patrz wzór (3.1.3))
k B - stała S o l t z c s a n n a
K»k#w - iloczyn efektywnego współczynnika pochłaniania promieniowania 1 grubości próbki
- 21 -
K p - współczynnik pułapkowania (patrz wzór (8,3.1))
1 - grubość przypowierzchniowego obszaru ładunku przestrzennego lx , lz - długość i szerokość próbki
L - długość drogi dyfuzji nośników ładunku elektrycznego wyznacza
na na podstawia badań zjawiska FME (patrz wzór (4.0.3)) Lj. - tzw. długość drogi dyfuzji ciepła
n*, m* - masy efektywna elektronu i dziury
n - - wektor skierowany w kierunku zaniku natężenia promieniowania w badanym materiale
n, n3 - części rzeczywiste współczynników załamania promieniowania w badanym półprzewodniku oraz w podłożu warstwy przylegającej do tylnej powierzchni półprzewodnika
Hp, n8 - część rzeczywista współczynnika załamania liniowo spolaryzowa
nego promieniowania w półprzewodniku. Indekay p, s odpowiadają promieniowaniu o wektorze natężenia pola elektrycznego prosto
padłym lub równoległym do wektora indukcji pola magnetycznego, w którym znajduje się próbka
r*o'nl ,n2 ” współczynniki załamania promieniowania w ośrodku otaczającym badaną strukturę oraz w warstwach przylegających do powierz
chni czołowej i tylnej badanego półprzewodnika n# , n^ - koncentracje równowegowych elektronów i dziur A n e > A n ^ - koncentracje nadmiarowych elektronów i dziur
ni - koncentracja nośników ładunku elektrycznego w półprzewodniku eamoistnym
N - l i c z b a złączy p-n w badanej próbce
NEI - gęstość mocy promieniowania padającego na detektor, które wy
wołuje sygnał napięciowy równy wartości skutecznej napięcia szumów
NEP - moc równoważna szumom
P - wartość skuteczna mocy promieniowania monochromatycznego pada-
<A
jącego na powierzchnię fotoczułą detektora FME POŁP - przypowierzchniowy obszar ładunku przestrzennego
q - współczynnik pułapkowania nośników ładunku elektrycznego na powierzchni półprzewodnika
i^lpl* K i s i ' rp* rs “ moduł* •foktywnych współczynników odbicia promie
niowania od powierzchni czołowej i tylnej półprzewodnika.
Indeksy p, s odpowiadają liniowo spolaryzowanemu promienio
waniu o wektorze natężenia pola elektrycznego równoległym i prostopadłym do płaezczyzny padania
- współczynnik we wzorach (4.0.1) i (4.0.2) - szybkości rekombinacji elektronów i dziur
- rezystancja próbki w warunkach, w jakich badana jest zjawisko FME
- zmiana rezystancji próbki wywołana oświetleniem
- współczynnik odbicia promieniowania od powierzchni próbki - czułość napięciowa detektora FME
- całkowita czułość napięciowa detektora FME oświetlonego pro
mieniowaniem emitowanym przez ciało doskonale czarne o tempe
raturze T
s2 ‘ s2h ” szybkości rekombinacji elektronów i dziur na powierz
chniach czołowej i tylnej półprzewodnika
—2 —2 -2 -2
L ®eihw z h L ' S2 =s2w *eL =s2hw ? hL “ bezwymiarowe szybkości re
kombinacji nośników ładunku elektrycznego na powierzchniach czołowej i tylnej półprzewodnika
* efektywne szybkość rekombinacji powierzchniowej nośników ła
dunku elektrycznego
- szersza przerwa energetyczne - czas
- temperatura
- temperatura sieci krystalicznej badanego półprzewodnika - różnica temperatur gazu elektronowego i sieci krystalicznej
badanego półprzewodnika
- kwadraty modułów efektywnego współczynnika transmisji fali świetlnej przez przedni? powierzchnię półprzewodnika. Indeksy p, s odpowiadaję liniowo spolaryzowanemu promieniowaniu o wektorze natężenia pola elektrycznego równoległym i prostopad
łym do płaszczyzny padania (patrz wzory (3.1.4))
- energia Fermiego (w jednostkach kQT / e ) w objętości półprzewod
nika
- stałoprędowy spadek napięcia elektrycznego na oświetlonej czę
ści próbki w warunkach kompensacji zjawiska FME fotoprzewodnic- twem
- różnica potencjałów elektrycznych pomiędzy powierzchniami czo
łowe i tylnę próbki półprzewodnikowej
- sygnał elektryczny wywołany zjawiskami współwystępujęcymi ze zjawiskiem FME
- 23 »
VQ - potencjał wewnętrznego pola elektrycznego
Vq - napięcie elektryczne wywołane parzystym zjawiskiem FME Vg - wartość skuteczna sygnału napięciowego wywołanego szumami V pz' V pr ” naPi?cia elektryczne wywołane w próbce parzystym zjawiskiem
FM£ w w a r u n k a c h z w a r c i a i rozwarcia zewnętrznego obwodu elektrycznego, w którym rejestruje aię nieparzyste zjawisko FME
A V « V - V
“ pr pz
V_„_ - napięcie elektryczne pomiędzy końcami próbki wywołane zjawia- r ME
kietti FME 'FME' VFME
V p M P , - s y g n a ł y FME wywołana liniowo spolaryzowanym promieniowaniem o!'
w e k t o r z e n a t ę ż e n i a p o l a elektrycznego równoległym i prosto
p a d ł y m d o p ł a s z c z y z n y padanie
w, w^. Wg " g r u b o ś c i w a r s t w b a d a n e g o półprzewodnika oraz materiałów znaj
d u j ą c y c h s i ę p r . jć i z a nim na drodze propagacji promienio
w a n i a s t o s o w a n e g o w badaniach
- o k r e s z m i a n n a t ę ż e n i a p r o m i e n i o w a n i e ze wzrostem głębokości w p ł a s k o - r ć r t n o l e g ł e j próbce (patrz wzór (3.1.5))
W » w / L - s t o s u n e k g r u b o ś c i półprzewodnika do długości drogi dyfuzji nośników ładunku elektrycznego
WEF - wysokonapięciowy efekt fotowoltaiczny WPE - węższa przerwa energetyczna
y s - zakrzywienie pasm energetycznych (w Jednostkach kQT/e) prży powierzchni półprzewodnika
- wartość tzw. kęta charakterystycznego określonego wzorem (6.2.5)
clp' ® l s - efektywne zmiany fazy fali liniowo spolaryzowanego promienio
wania przy wewnętrznym odbiciu od czołowej powierzchni pół
przewodnika. Indeksy p, s odpowiadają promieniowaniu o wek
torze pola elektrycznego równoległym i prostopadłym do pła
szczyzny padania
- efektywny współczynnik wydajności kwantowej, patrz wzór (3.2.11)
r - zmiana fazy przy przejściu promieniowania przez warstwę pół
przewodnika o grubości 2w
tfa ' ^b' ^ c “ P aramstrY określające przewodność elektryczne półprzewodnika z mikrowtrgceniasii (patrz wzór (6.7.1))
- przanikalność dielektryczna próżni
- względna przenikalrtość dielektryczna badanego półprzewodnika - wartość efektywnej energii przekazywanej przez fotoelektron
elektronom równowagowym
- zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego - energia Fermiego
- liczba par elektron-dziura generowanych przez Jeden foton pro
mieniowania wnikającego do próbki - kęt padania promieniowania na próbkę
- kęt pomiędzy wjBktorem 8 a normalną do oświetlonej powierzch
ni próbki
- kęt pomiędzy rzutem wektora B na oświetlonę powierzchnię prób
ki a kierunkiem, wzdłuż którego rejestrowane Jest parzyste zja
wisko FME
- kęt obrotu próbki wokół osi (jlllj
- składowe współczynników załamania opisujące absorpcję promienio
wania w badanym półprzewodniku oraz w podłożu warstwy przylega
jącej do jego tylnej powierzchni
- współczynniki opisujęce pochłanianie promieniowania w wyniku absorpcji podstawowej oraz innych mechanizmów absorpcji - część urojona współczynnika załamania liniowo spolaryzowanego
promieniowania w półprzewodniku. Indekey p, s odpowiadaję promieniowaniu o wektorze natężenia pola elektrycznego prosto
padłym i równoległym do wektora indukcji pola magnetycznego.
w którym znajduje się próbka
- składowa współczynnika załamania opisujęca absorpcję na swobod
nych nośnikach ładunku elektrycznego promieniowania o wektorze natężenia pola elektrycznego prostopadłym do wektora indukcji pola magnetycznego, w który« znajduje się badany półprzewodnik - długość fali promieniowania elektromagnetycznego padającego ns
próbkę
- przedział długości fal promieniowania padającego na próbkę - długość fali promieniowania» które padając na półprzewodnik wy
wołuje VpMe o wartości równej jpołowie napięcia FME wywoływa
nego promieniowaniem bardzo silnie pochłanianym w danym pół
przewodniku
- względna przenikalność magnetyczna badanego półprzewodnika - prżenikalność magnetyczne próżni
- raagneton Bohra
* 25 -
fig ff - efektywne wartość ruchliwości nośników ładunku elek
trycznego
£*e . ^ h ’ ^He' ^ H h “ rucllliwości dryfu oraz holowskie elektronów i dziur - efektywna ruchliwość fotoholowska nośników ładunku
elektrycznego
- efektywna wartość ruchliwości nośników ładunku elek
trycznego określona wzorem (8.6.5)
£Iq(0) - ambipolarna ruchliwość nośników ładunku elektrycznego w punkcie o współrzędnej x » 0 (patrz wzór (6.2.4))
£{,*(0) - grupowa ruchliwość nośników ładunku elektrycznego (parz wzór (6.2.1))
^ - częstotliwość promieniowania
p - rezystywność właściwa półprzewodnika w polu magnetycz
nym
(J - przewodnictwo elektryczne właściwe badanego materiału Z. tfpc' ■£"(< ” czasy życia nośników ładunku wyznaczane odpowiednio na
podstawie badań zjawieka FME (patrz wzór (4.0.4)),foto- przewodnictwa (patrz wzór (5.4.9))loraz tzw. metodę kom
pensacyjną (patrz wzór (8.3.3)) X , - czasy życia elektronów i dziur
•g — czas relaksacji pędu nośników ładunku elektrycznego
% , X . % ~ stałe relaksacji energii nadmiarowych nośników ładunku elektrycznego w wyniku oddziaływań międzyelektronowych oraz emisji tzw. optycznych i akustycznych fononów
<p - różnica faz pomiędzy zmiennymi w czasie sygnałami FME i fotoprzewodnictwa
- kontaktowa różnica potencjałów na złączu p-n
cp , - efektywne zmiany fazy fali liniowo spolaryzowanego pro
mieniowania przy wewnętrznym odbiciu od tylnej powierz
chni półprzewodnika. Indeksy p, s odpowiadaję linio
wo spolaryzowanemu promieniowaniu ó wektorze natężenia pola elektrycznego równoległym i prostopadłym do pła
szczyzny padania
ty - kęt pomiędzy osią 'a tensora pr owodności elektrycz
nej badanego materiału i powierzchnię próbki (patrz np. rys. 6.7.2)
w - częstotliwość kołowa propagujęcego promieniowania W c - częstotliwość cyklotronowa
coa - częstotliwość plazmowa
- częstotliwość kołowa podłużnego fononu optycznego
2. WSTfP, CEL I ZAKRES PRACY
Umieszczenie metali, półprzewodników a także niektórych dielektryków w polu magnetycznym i oświetlenie ich promieniowaniem elektromagnetycz
nym powoduje powstanie w nich specyficznych sit elektromotorycznych (SEM), Wielkość tych sił zależy od natężenia, długości fali oraz polaryzacji pro
mieniowania etosowanego w badaniach, wartości indukcji pola magnetycznego oraz orientacji próbki względem kierunku propagacji promieniowania i kie
runku wektora indukcji pola magnetycznego. Niniejsza praca poświęcona Jest zjawisku, które wywołuje SEM w kierunku prostopadłym do kierunku zaniku natężenia promieniowania elektromagnetycznego generującego elektrony i dziury w półprzewodnikach znajc.jęcych się w polu magnetycznym. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska fotomagnetoelektrycznego (FME) (£от оиагнит ноэле k- трическ*И,фотомагвитоэлектрический (в!Э) эффект{ photomagnetoelectric (PME) effect; l'effet photomagnetoelectrique; photomagnetoelektri8cher Effekt ). Nazwę tekę wprowadził Frenkel [l], tłumacząc fizyczny mechanizm zjawiska FME odkrytego w 1934 roku przez Kikoina i Noskowa w badaniach polikrystalicznego Cu^O [2]. Jest ona używane w 36« prac cytowanych w ni
niejszej monografii, natomiast w 39% prac używana Jest skrócone nazwa:
zjawisko fotomagnetyczne (фотомагнитный аффект (ФМЭ ) » photomagnetic effect (PME); l'effet photomagnetique; photomsgnetischer Effekt), jakiej użył po raz pierwszy Kikoin [3J. Tej skróconej nazwy zjawiska FME używaję głównie autorzy prac publikowanych w Języku rosyjskim. W 25% prac zacytowanych w niniejszej monografii zjawisko FME jest nazywane zjawiskiem fotoelektro-
■agnatycznym (фотоэлектромагиитный (ФЭН). фотогальваномагнитный эффект'»
photoelectromagnetic (РЕМ) effect; l'effet photoelectromagnetique; photo-
•lektromannetiecher (PEM), photogalvanomagnetischer Effekt). Takiej nazwy zjawiska FME użył po raz pierwszy Lifszic [4], ais większość prac, w któ
rych Jest ona używana, etanowi kontynuację prac Mossa [5, б] . Nazwa F EM ltib w języku angielskim PEM przyjęła się zwłaszcza dla detektorów, w któ
rych wykorzyetuje Się zjawisko FME do detekcji promieniowania podczerwo
nego (patrz rozdział 9)* Niekiedy zjawisko FME bywa także nazywane zja
wiskiem Kikoina-Noskowa (np. w pracach [4, 7]) lub zjawiskiem Halle na fotodyf uzyJnym prędzie nośników ładunku e l e k t r y c z n e g r [s, 9] . W języku polskim najczęściej używa się nazwy zjawisko fotomagnetoelektryczne, Jakę użyto po raz pierwszy w pracach świta [ifl] i Kobusa [ll]. Oest one uzasad
niona natur« zjawiska FMEj czynniki zewnętrzne światło i pola magnetyczne wywołujf efekt elektryczny.
- 28 -
Istota mechanizmu wywołującego zjawisko FME w izotropowych półprzewod
nikach Jest następująca. Promieniowanie o energii fotonów większej od szerokości przerwy energetycznej nadanego półprzewodnika generuje w nim swobodne nośniki ładunku elektrycznego: elektrony i dziury. W przypadku silnego pochłaniania promieniowania w badanej próbce (kew > > 1, gdzie k0 oznaczę wartość współczynnika absorpcji promieniowania, w - grubość prób
ki) największa liczba nadmiarowych nośników ładunku Jest generowana w po
bliżu czołowej (oświetlonej) powierzchni półprzewodnika. Powstały w ten sposób gradient koncentracji nośników ładunku (patrz krzywa 1 na rys.2.1) Rys. 2.1. Schematyczne przedstawienie zależności kon
centracji nadmiarowych nośników ładunku elektrycznego od głębokości w oświetlonej próbce półprzewodnikowej 1 - przypadek silnego pochłaniania promieniowania (k0w » l , 8^^ m s2 ) , 2 - przypadek słabego pochłania
nia promieniowania bez uwzględniania interferencji promieniowania wewnętrznie odbitego w próbce charak
teryzującej się dużą różnicę szybkości rekombinacji nośników ładunku na przedniej i tylnej powierzch
niach (k0w < 1 . s1 » s 2 )
Fig. 2.1. Scheme of the spatial distribution of ex
cess carrier concentration in an illuminated semicon
ductor sample
1 - the case of strong absorption of radiation (kew » l . sL = s2 ). 2 - the case of weak absorption and negligible interference of radiation internally reflected in e sample with faster recombination of carriers at the front surface than on the back one
(kew S 1. ry - O. 81=»>s2 )
wywołuje ich dyfuzję w głąb próbki. W polu magnetycznym o wektorze induk
cji ¥ skierowanym prostopadle do gradientu koncentracji nośników ładun
ku dyfundjjące nośniki ładunków różnych znaków są odchylane w przeciwne strony w kierunku prostopadłym zarówno do wektora B. jak i do gradientu koncentracji nośników (rys. 2.2a). Deżali końce próbki w tym kierunku są zwarte zewnętrznym obwodem elektrycznym, to w oby/odzie tym płynie prąd zwarciowy wywołany zjawiskiem FME (rys. 2.2b). W przypadku gdy końco prób
ki są rozwsrte, odchylane polom magnetycznym nośniki ładunku grossdz?c się na nich wywołują różnicę potencjałów elektrycznych. Napięcia elek
tryczne rejestrowane w takim przypadku (rys. 2.2c) jest ograniczona prą
dem przewodnictwa przepływającym przez próbkę. Zarówno kierunek przepływu prądu zwarciowego, jak i polaryzacjo napięcia rejestrowanego w warunkach otwartego obwodu zależą od zwrotu indukcji pola magnetycznego. Z tsgo po
wodu zjawisko to bywa nazywano nieparzystym zjawiskiem FME ( Ke^eTjSHił, ochobnujt lub npoaoaŁHu» Cł<3 sęj;eKTj odd lub linear Pffi effect). Po raz pier.MSzy zostało ono zaobserwowane przez Kikoina i Noskowa [2]. Trzeba zauważyć, lz SEM wywołana zjawiskiem FME w półprzewodnikach o małej prze
wodności właściwej może osiągać stosunkowo duże wartości. Przykładowo w
- 29 -
B
a
® 1 i
1
h
'
I 1
Ił^L
&
I
e | e
Rys. 2.2. Schematyczne przedstawienie warunków obserwacji nieparzystego zjawiska fotomagnetoełektrycznego
a) schematyczne przedstawienie trajektorii nadmiarowych nośników ładunku elektrycznego dyfundujęcych w polu magnetycznym pod wpływem gradientu ich koncentracji wywołanego silnym pochłanianiem promieniowania w próbce (patrz krzywa 1 na rysunku 2.1), b) pomiar natężenia prądu wywołanego zja
wiskiem FME w warunkach zwarcia końców próbki, c) pomiar napięcia wywo
łanego zjawiskiem FME w próbce o rozwartych końcach (linie przerywane obrazują przepływ prądu w badanych próbkach)
Fig. 2.2. Experiment arrangement for investigation on the odd photomagneto- electric effect
a) trajectories of excess carriers which diffuse in magnetic field due to the gradient of their concentration in the case of strong absorption of radiation (see curve 1 in fig. 2.1), b) measurement of the short-circuit current evoked by the PME affect, c) measurement of the open-circuit vol
tage evoked by the PME effect (broken curves represent the flow of elec
tric current in the samples)
GUgO w polu mangstycznym o indukcji 8 » 1,1 T rejestrowano napięcie rzę
du (15-20) V [l2j.
W przypadku gdy promieniowanie padające na próbkę jest w niej słabo pochłaniane, a jednocześnie nie zachodzi interferencja promieniowania we
wnętrznie w niej odbitego oraz gdy nośniki ładunku znacznie szybciej re- kombinuję na czołowej powierzchni próbki niż na jej tylnej powierzchni, gradient koncentracji nośników ładunku jest skierowany przeciwnie w sto
sunku do tego, jaki występuje w przypadku bardzo silnego pochłanianie promieniowania w badanej próbce (porównaj krzywe 2 i 1 na rys. 2.1)^
iV tych warunkach następuje dyfuzja nadmiarowych nośników ładunku elek
- 30 -
trycznego w stronę czołowej powierzchni próbki, a kierunek przepływu prę- du zwarciowego oraz polaryzacja pola elektrycznego, które wywołuje zjawi
sko FME, sę przeciwne do tych, je'ie występuję w przypadku bardzo silnego pochłaniania promieniowania w półprzewodniku. Obserwowane w tych warun
kach zjawisko FME jest nazywane ujemnym zjawiskiem FME. Zostało ono teore
tycznie opisano przez Gartnera [l3] , a następnie było rejestrowane przez wielu badaczy, między innymi rejestrowano je w pracach [l4-2l] ,
w dalszych częściach niniejszej monografii nazwy ujemnego zjawiska FfC będziemy zawsze używali dla zjawiska FME, odpowiadającego dyfuzji nadmia
rowych nośników łedunku elektrycznego w kierunku oświetlonej (czołowej) powierzchni badanej próbki, niezależnie od mechanizmów, które wywołuję taki ruch nośników łedunku.
w przypadku gdy oświetlony, izotropowy półprzewodnik jest umieszczony w polu magnetycznym o wektorze Indukcji posiadającym zarówno składów? pro
stopadła, Jak i składowę równoległą do kierunku zaniku natężenia promie
niowania w badanej próbce (rysunek 2.3), oprócz nieparzystego zjawiska FME można zaobserwować tzw. zjawisko FME drugiego rzędu (second order PME effect). Zjawisko to wywołuje w badanej próbca przepływ nośników ładunku w kierunku rzutu wektora indukcji pola magnetycznego na powierzchnię prób
ki, a więc w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu nośników. Jaki ma miejsce w przypadku nieparzystego zjawiska FME (patrz rysunek 2.3). Kieru-
Rys, 2.3. Schematyczne przedstawienie konfiguracji eksperymentu, w którym obserwuje się parzyste zjawisko FME w izotropowym półprzewodniku ss' - kontakty słuaęce do badania nieparzystego zjawiska FME, bb' - kon
takty służące do badania parzystego zjawiska rMc
Fig. 2.3. Experiment arrangement for investigation on the even PME affect in an isotropic semiconductor
a e ’ - contacts used in investigation on odd PME effect, bb' - contacts used in Investigation on even PME effect
- 31 -
nek przepływu prędu zwarciowego oraz polaryzacja siły elektromotorycznej wywołanej tym zjawiskiem nie ulegaję zmianie przy zmianie zwrotu wektore indukcji pola magnetycznego na przeciwny. Natężenie prędu zwarciowego oraz wielkość napięcia wywołanego tym zjawiskiem w słabych polach magnetycz
nych sę proporcjonalne do iloczynu kwadratu wartości indukcji tego pola oraz sinusa podwojonego kęta pomiędzy wektorem indukcji pola magnetyczne
go a powierzchnię próbki. Z tych względów zjawisko to bywa także nazywane poprzecznym, parzystym lub kwadratowym zjawiskiem FKE (поперечной, четны#
lub квадратичный <Н*Э аффект; even lub quadratic PME effect). Zjawisko to zostało zaobserwowane w próbach CUgO przez Kikoina £22} wkrótce po od
kryciu nieparzystego zjawiska FME. Za istotę mechanizmu powstania tego efektu można uznać zjawisko Halla na prędzie elektrycznym wywołanym nie
parzystym zjawiskiem FME, tzw. zjawiskiem pierwszego rzędu. Takę interpre
tację tego zjawiska podał Jako pierwszy Frenkal [23].
Omówione zjawiska FME sę zwięzane z powstaniem pola elektrycznego w kierunku prostopadłym do kierunku zaniku natężenie promieniowania w izo
tropowym półprzewodniku. Z tagc względu Groetzinger i Aron [2 4, 25] za
proponowali nazywać nieparzyste zjawisko FME poprzecznym afektem FME w poprzecznym polu magnetycznym (transverse PME effect in transverse magne
tic field). Wskutek różnej ruchliwości elektronów i dziur dyfundujęcych w wyniku występowania gredientu nośników fotogenerowanych w półprzewodni
ku dyfundujęce ładunki różnych znaków zostaję rozseparowane przestrzennie.
Prowadzi to do powstania różnicy potencjałów pomiędzy powierzchniami czo- łowę (oświetlonę) i tylnę oświetlonej próbki półprzewodnikowej. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska Dembera od nazwiska swego odkrywcy [26, 27]. Prze- ględ różnych przejawów zjawiska Dembera można znaleźć m.in. w pracy [28].
Poprzeczne pole magnetyczne wpływajęc na ruch dyfundujęcych w oświetlonej próbce nadmiarowych nośników ładunku elektrycznego powoduje zmianę 6iły elektromotorycznej wywołanej zjawiskiem Dembera. Było to badane doświad
czalnie przez Groetzingera i Arona [2 4, 25]. Badacze ci zaproponowali, aby nazwać ten efekt podłużnym zjawiskiem FME w poprzecznym polu magne
tycznym (longitudinal PME effect in transverse magnetic field). Teorię efektu Dembera w silnym polu magnetycznym opracował Mojżes [29].
Ze względu na swę istotę fizycznę, doskonale llustrujęcę mechanizmy wielu zjawisk zachodzęcych w półprzewodnikach, zjawisko FME Jest analizo
wane praktycznie we wszystkich podręcznikach fizyki półprzewodników, np.
w [3 0 -3 2 ] oraz w monografiach poświęconych zjawiskom fotoelektrycznym
[ з з - з б ] i galwanomegnetycznym [ 3 7 ] . Poza tym przydatność zjawiska FME w badaniach parametrów materiałów półprzewodnikowych spowodowała, że ana
liza metod pomiarowych bazujęcych na badaniach tego zjawiska została prze
prowadzona w wielu monografiach poświęconych metodon badania półprzewodni
ków, np. [3 8-43] . Ze względu na zastosowanie zjawiska rME do konstrukcji detektorów promieniowania podczerwonego jest ono analizowane w licznych monografiach półprzewodnikowych przyrzędów fotoelektrycznych [4 4-46].