ФЭМ-эффект

18

ФЭМ-эффект

Фотоэлектромагнитный (ФЭМ) эффект был открыт одним из нас в 1934 году. Заключается этот эффект в следующем. Если освещать полупроводник, помещенный в магнитное поле, то в нем возникает электродвижущая сила. На рисунке 1 приведена схема эксперимента, в котором обнаруживается фотоэлектромагнитный эффект. Полупроводник в виде прямогоольной пластинки помещен в магнитное поле, направленное вдоль оси X. Вдоль оси Y на поверхности пластинки падает пучок света. Тогда между гранями a и a’ вдоль оси Z возникает разность потенциальов, которое мы в дальнейшем будем назвать фотоэлектромагнитной э. д. с. Если на эти грани нанесены электриды и замкнутых их проводником, то включенный в цель измерительный прибор зарегистрирует наличие тока в цепи.

В первых экспериментах, в которых был обнаружен ФЭМ-эффект, использовались пластинки из закиси меди (Cu₂O). В то время закис меди была самым «модным» веществом, на котором подробно изучались основные закономерности, касающиеся полупроводников. Можно сказать, что в 30-х годах началась эра полупроводников, который сужено было совершить революцию в радиоэлектронной технике. Описанные выше опыты проводились на образах закис меди при температуре жидкого азота (77 K). В небольшим магнитном поле (около 1 T) при освещении образца довольным слабым светом от лампочки карманного фонарика разность потенциальов между точками A и A’ (расстояние между ними было около 2 см) достигала 15—20 В!

Опыты показали, что знак Э. д. с. ФЭМ-эффекта, а следовательно, и направление электрического поля в образце меняются при изменении направления внешнего магнитного поля. А при заданной направлении поля знак Э. д. с. меняется, если изменяя в направление падающего на образец света, то есть осветьить противоположную поверхность образца. При освещении образца в отсутствие магнитного поля Э. д. с. не возникнет.

Попытаемся обяснить проискожение ФЭМ-эффекта.

Итак, фотоэлектромагнитная Э. д. с. возникает только при действии на освещаемый образец магнитного поля. Между тем известно, что магнитное поле действует только на движущие электрические заряды. Поэтому надо понять, каким образом создается движение зарядов в полупроводнике в отсутствие источника Э. д. с.

Свет, падающий на поверхности пластинки полупроводника, поглощается в нем (если полупроводник не проразчен для этого света). Во многих случаях свет поглощается электронами atomов полупроводника. При достигающей энергии (hν) квантов света (фотонов) поглотивший их электрон от атома, становится свободным и может перемешаться внутри освещаемого тела. В металлах и без всякого действия света имеется огромное количество свободных электронов. В полупроводниках

20

будут диффундировать в глубь образца. Тогда совместная диффузия электров и этих положительных зарядов может продолжаться сколь угодно долго, поскольку, доход до противоположной поверхности образца, они не заряжают ее. Правда, при этом суммарный диффузionalный ток равен нулю, хотя перемещение разномерных зарядов происходит.

Именно такая картина и реализуется в действительности при освенении полупроводника. Но что это за положительные заряды, которыерождаются светом? Это — так называемые дырики. Представление о дыриках порождено квантовой механикой. ФЭМ-эффект — одно из первых физических явлений, для объяснения которых понятие дырики оказывась совершенно необходимым. В современной теории электропроводности электроннойырочее представление стало общепризнаным.

Итак, при освенении поверхности полупроводниковой пластинки происходит одновременноерождеение свободных электров и дырок (или, как говоря, роздение электроннойырочной пары), которые диффундируют в одном направлении. В магнитном поле сила Лоренца отклоняет движущиеся электровы и дырики в противоположные стороны, так что на грани $a'$ оседают электровы, а на грани $a$ — дырики. Очевидно, что при изменении направления падающего света или направления магнитной индукции знак э. д. с. ФЭМ-эффекта меняется на противоположный. Знак э. д. с. ФЭМ-эффекта можно определить по правилам левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четые вытянутых пальца были направлены вдоль падающего на образец светового лучка, то отогнутый на $90^\circ$ большой палцукажет направление электрического поля в образце.

Такова в общих чертах качественная теория ФЭМ-эффекта. Конечно, эта теория была разработана после детального экспериментального исследования эффекта. Сам эффект был обнаружен неожиданно значительно равше создания теории, и сначала он казался удивительным. Расчеты, выполненные на основе развития теоретической модели, дают следующееую приближенную формулу для силы фотолектромагнитного тока $I$ в замкнутой цепи, когда электроды образца замкнуты накоротко (то есть когда сопротивление внешней цепи пребрежимо мало по сравнению с сопротивлением самого полупроводника):

$$I = KeN |B|,$$

где $e$ — заряд электрона, $N$ — количество квантов света, поглощаемых $1\ m^2$ поверхности образца в 1 секунду (очевидно, что $N$ пропорционально освенению образца), $|B|$ — значение индукции магнитного поля, а $K$ — коэффициент пропорциональнойности, значение которого зависит только от материалов образца. Прияма пропорциональность тока интенсивности падающего света и индукции магнитного поля была вывлена уже в первых экспериментах.

При обычных условиях в небольшим магнитном поле $\sim 1$ Т при освенениисти, создаваемой естественным дневным светом (что соответствует $N \sim 10^{21} \text{ квант})$, через обозначение monокристаллического терма (шириной 0,01 м в направлении магнитного поля) течет фотогнитный ток $\sim 10^{-3}$ А.

Знача внешние параметры ($N, |B|$), можно, изменяя формулу тока, находить характеристики полупроводниковых материалов, которые определяют величины коэффициента $K$. ФЭМ-эффект в современных laboratorиях стал простым и надежным инструментом для определения таких параметров, характеризующих качество полупроводниковых материалов, как время жизни носителей (электрона и дырики) т, скорость поверхностной рекомбинации $S$, диффузionalная длина $L$, подвижность носителей тока и некоторых других. Поясним кратко смысл этих величины.

Как мы уже знаем, под действием кванта света влентный электрон может «оторвать» от атома и стать электроном проводимости. Однако этот избыточный носитель тока не мо-

21

Жет существовать в образце бесконечного долго. Довольно скоро после своего рождения он по тем или иным принципам снова становится связанным, например, присоединившись конизированному atomу (этот процесс называется рекомбинацией). Среднее время т существования носителя тока в свободном состоянии называют временем жизни. В разных полупроводниках это время различно — от $10^{-10}$ с до сотых долей секунд. Электроны (или дырки) рекомбинаруют не только в объеме полупроводника, но и на его поверхности. Величина $S$, характеризующая скорость исчезновения носителей тока на поверхности, называется скоростью поверхности полупроводника. Длина диффузии носителей — $L$ — равна приближительно расстоянию, на котором успешот продолжировать электроны или дырки за время жизни $t$. Подвижность носителей — $\mu$ — это скорость их перемещения под действием электрического поля с направлением, равной единице. Эти параметры во многом определяют качество полупроводников, использемых в электронной технике.

В заключение описем один красный опыт, который использовал механизм возникновения ФЭМ-эффекта. Опыт составит в следующем. Из полупроводника (германия) вырезается образец в виде маленького цилиндра. Внутри цилиндра высверливается тонкий канал, в котором запрессовывает подпятник из твердого материала. Образец насаживает на иглу (как магнитная стрелка компаса). Цилиндр помещается между полюсами магнита (рисунок 2) и освещается светом (угол между направлением луча света и индикцией магнитного поля $\theta \sim 45^\circ$). Тогда образец начинает врашаться! Опыт наглядно демонстрирует непосредственное превращение энергии света в механическую энергию. Это явление можно назвать фотомагнитомеханическим эффектом. Попробуем обьясить происходние этого эффекта.

Луч света, падающий на боковую поверхность цилиндрического образца, освещает узкую вертикальную полоску небольшой ширины по всей длине цилиндра. Рождеенные светом электроны и дырки диффундируют из освещенной области в глубь цилиндрического образца. В результате силы Лоренца на диффундирующие в магнитном поле электроны и дырки возникает э. д. с. ФЭМ-эффекта. При этом все процессы диффузии и рекомбинациирожденных светом носителей разыгрываются в слое образца, протяженностью порядка диффузionalной длины. Остальная же толща образца пассивна и служит как бы проводником, замыкающим на себя э. д. с. ФЭМ-эффекта. Весь образец можно представить в виде бесконечного числа замкнутых контуров-рамок (одна из сторон этих рамок — узкая освещенная полоска поверхности образца). На каждую такую рамку стороны магнитного поля действует момент силы, максимальное значение которого пропорционально площади рамки и сле тока в ней. Однако в силу симметрицы цилиндрического образца все эти рамки можно заменить