hiệu ứng FEM

18

hiệu ứng FEM

Hiệu ứng quang điện từ (PEM) được một người trong chúng tôi phát hiện vào năm 1934. Hiệu ứng này như sau. Nếu bạn chiếu sáng một chất bán dẫn đặt trong từ trường thì sẽ xuất hiện một suất điện động trong đó. Hình 1 thể hiện sơ đồ một thí nghiệm trong đó phát hiện hiệu ứng quang điện từ. Một chất bán dẫn có dạng tấm hình chữ nhật được đặt trong một từ trường hướng dọc theo trục X. Một chùm ánh sáng chiếu dọc theo trục Y lên bề mặt tấm kim loại. Khi đó, xuất hiện hiệu điện thế giữa các mặt a và a’ dọc theo trục Z, mà chúng ta sẽ gọi thêm là quang điện từ e. d.s. Nếu các điện cực được áp dụng cho các mặt này và được đóng lại bằng dây dẫn thì thiết bị đo được kết nối với mục tiêu sẽ ghi lại sự hiện diện của dòng điện trong mạch.

Trong các thí nghiệm đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng FEM, các tấm oxit dạng đồng (Cu₂O) đã được sử dụng. Vào thời điểm đó, oxit dạng đồng là chất “mốt” nhất, trên đó các nguyên lý cơ bản liên quan đến chất bán dẫn được nghiên cứu chi tiết. Có thể nói rằng vào những năm 30, kỷ nguyên của chất bán dẫn bắt đầu, vốn được coi là cuộc cách mạng hóa công nghệ điện tử. Các thí nghiệm được mô tả ở trên được thực hiện trên các mẫu oxit dạng đồng ở nhiệt độ nitơ lỏng (77 K). Trong một từ trường nhỏ (khoảng 1 T) khi chiếu sáng mẫu bằng ánh sáng yếu vừa đủ từ bóng đèn pin, hiệu điện thế giữa các điểm A và A’ (khoảng cách giữa chúng khoảng 2 cm) đạt tới 15-20 V!

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng dấu của emf. Hiệu ứng PEM và do đó hướng của điện trường trong mẫu thay đổi khi hướng của từ trường bên ngoài thay đổi. Và đối với một hướng nhất định của trường, dấu của lực điện động. thay đổi nếu nó thay đổi hướng của ánh sáng tới mẫu, nghĩa là chiếu sáng bề mặt đối diện của mẫu. Khi chiếu sáng một mẫu trong điều kiện không có từ trường, emf. sẽ không phát sinh.

Hãy thử giải thích sự biến dạng của hiệu ứng PEM.

Vì vậy, emf quang điện từ. chỉ xảy ra khi có từ trường tác dụng lên mẫu được chiếu sáng. Trong khi đó, người ta biết rằng từ trường chỉ tác dụng lên các điện tích chuyển động. Do đó, cần phải hiểu làm thế nào chuyển động của điện tích được tạo ra trong chất bán dẫn khi không có nguồn emf.

Ánh sáng rơi trên bề mặt của tấm bán dẫn sẽ bị nó hấp thụ (trừ khi chất bán dẫn trong suốt đối với ánh sáng này). Trong nhiều trường hợp, ánh sáng bị hấp thụ bởi các electron của nguyên tử bán dẫn. Khi năng lượng (hν) của lượng tử ánh sáng (photon) đạt tới, electron từ nguyên tử hấp thụ chúng sẽ trở nên tự do và có thể trộn lẫn bên trong vật thể được chiếu sáng. Trong kim loại, ngay cả khi không có bất kỳ tác động nào của ánh sáng, vẫn có một số lượng lớn các electron tự do. Trong chất bán dẫn

20

sẽ khuếch tán sâu vào mẫu. Sau đó, sự khuếch tán chung của các electron và các điện tích dương này có thể tiếp tục kéo dài bao lâu tùy ý, vì khi chúng chạm tới bề mặt đối diện của mẫu, chúng sẽ không tích điện cho mẫu. Đúng, trong trường hợp này, tổng dòng khuếch tán bằng 0, mặc dù xảy ra chuyển động của các điện tích có kích thước khác nhau.

Đây chính xác là hình ảnh thực sự được hiện thực hóa trong quá trình chiếu sáng chất bán dẫn. Nhưng những điện tích dương được tạo ra bởi ánh sáng là gì? Đây là những cái gọi là lỗ. Khái niệm lỗ trống được tạo ra bởi cơ học lượng tử. Hiệu ứng FEM là một trong những hiện tượng vật lý đầu tiên được giải thích mà khái niệm về lỗ hóa ra là hoàn toàn cần thiết. Trong lý thuyết hiện đại về độ dẫn điện, khái niệm electron đã được chấp nhận rộng rãi.

Vì vậy, khi bề mặt của tấm bán dẫn được chiếu sáng, việc tạo ra đồng thời các electron và lỗ trống tự do (hoặc như người ta nói là tạo ra một cặp electron), chúng khuếch tán theo một hướng. Trong từ trường, lực Lorentz làm lệch hướng các electron và lỗ trống đang chuyển động theo hướng ngược nhau, sao cho các electron ổn định trên mặt $a'$ và các lỗ ổn định trên mặt $a$. Rõ ràng là khi hướng của ánh sáng tới hoặc hướng của cảm ứng từ thay đổi thì dấu của e. d.s. Hiệu ứng PEM bị đảo ngược. Ký tên đ. d.s. Hiệu ứng PEM có thể được xác định theo quy tắc của bàn tay trái: nếu bàn tay trái được đặt sao cho vectơ cảm ứng từ đi vào lòng bàn tay và bốn ngón tay duỗi thẳng hướng dọc theo chùm sáng tới trên mẫu, thì ngón cái uốn cong $90^\circ$ sẽ chỉ hướng của điện trường trong mẫu.

Nói chung, đây là lý thuyết định tính về hiệu ứng PEM. Tất nhiên, lý thuyết này được phát triển sau một nghiên cứu thực nghiệm chi tiết về hiệu ứng. Bản thân hiệu ứng này được phát hiện một cách bất ngờ sớm hơn nhiều so với thời điểm lý thuyết được hình thành, và lúc đầu nó có vẻ đáng ngạc nhiên. Các tính toán được thực hiện trên cơ sở phát triển mô hình lý thuyết đưa ra công thức gần đúng sau đây về cường độ dòng quang điện từ $I$ trong mạch kín khi các điện cực của mẫu bị đoản mạch (nghĩa là khi điện trở của mạch ngoài không đáng kể so với điện trở của chính chất bán dẫn):

$$I = KeN |B|,$$

trong đó $e$ là điện tích electron, $N$ là số lượng tử ánh sáng được hấp thụ $1\ m^2$ bởi bề mặt mẫu trong 1 giây (rõ ràng, $N$ tỷ lệ thuận với độ chiếu sáng của mẫu), $|B|$ là giá trị của cảm ứng từ trường và $K$ là hệ số tỷ lệ, giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào vật liệu mẫu. Tỷ lệ giữa dòng điện với cường độ ánh sáng tới và cảm ứng từ trường đã được bộc lộ trong các thí nghiệm đầu tiên.

Trong điều kiện bình thường, trong một từ trường nhỏ $\sim 1$ T, với sự chiếu sáng được tạo ra bởi ánh sáng ban ngày tự nhiên (tương ứng với $N \sim 10^{21} \text{ квант})$, thông qua việc chỉ định thuật ngữ đơn tinh thể (rộng 0,01 m theo hướng của từ trường), một dòng quang điện $\sim 10^{-3}$ A chạy qua.

Sau khi xác định các tham số bên ngoài ($N, |B|$), bằng cách thay đổi công thức hiện tại, có thể tìm ra các đặc tính của vật liệu bán dẫn xác định các giá trị của hệ số $K$. Hiệu ứng FEM trong các phòng thí nghiệm hiện đại đã trở thành một công cụ đơn giản và đáng tin cậy để xác định các thông số đặc trưng cho chất lượng của vật liệu bán dẫn như tuổi thọ của hạt tải điện (electron và lỗ trống) t, tốc độ tái hợp bề mặt $S$, độ dài khuếch tán $L$, độ linh động của các hạt tải điện và một số thông số khác. Hãy để chúng tôi giải thích ngắn gọn ý nghĩa của các đại lượng này.

Như chúng ta đã biết, dưới tác dụng của lượng tử ánh sáng, electron hóa trị có thể bị “tách ra” khỏi nguyên tử và trở thành electron dẫn. Tuy nhiên, sóng mang dư thừa này không thể

21

Nó có thể tồn tại theo một khuôn mẫu trong một thời gian dài vô tận. Rất nhanh sau khi ra đời, theo nguyên tắc này hay nguyên tắc khác, nó lại được kết nối lại, chẳng hạn như bằng cách nối một nguyên tử hình nón (quá trình này được gọi là tái hợp). Thời gian trung bình t tồn tại của sóng mang hiện tại ở trạng thái tự do được gọi là thời gian tồn tại. Trong các chất bán dẫn khác nhau, thời gian này là khác nhau - từ $10^{-10}$ s đến phần trăm giây. Các electron (hoặc lỗ trống) kết hợp lại không chỉ trong phần lớn chất bán dẫn mà còn trên bề mặt của nó. Đại lượng $S$, đặc trưng cho tốc độ biến mất của các hạt tải điện trên bề mặt, được gọi là vận tốc bề mặt của chất bán dẫn. Độ dài khuếch tán sóng mang - $L$ - xấp xỉ bằng khoảng cách mà các electron hoặc lỗ trống có thể tiếp tục di chuyển trong suốt vòng đời $t$. Độ chuyển động của các hạt tải điện - $\mu$ - là tốc độ chuyển động của chúng dưới tác dụng của điện trường có hướng bằng 1. Các thông số này quyết định phần lớn đến chất lượng của chất bán dẫn được sử dụng trong công nghệ điện tử.

Để kết luận, chúng tôi sẽ mô tả một thí nghiệm màu đỏ sử dụng cơ chế xảy ra hiệu ứng PEM. Trải nghiệm sẽ như sau. Một mẫu có dạng hình trụ nhỏ được cắt từ chất bán dẫn (gecmani). Một rãnh mỏng được khoan bên trong xi lanh, trong đó một ổ đỡ lực đẩy làm bằng vật liệu cứng được ép vào. Mẫu được đặt trên một cây kim (giống như kim la bàn từ tính). Hình trụ được đặt giữa các cực của nam châm (Hình 2) và được chiếu sáng bằng ánh sáng (góc giữa hướng của chùm sáng và chỉ thị từ trường $\theta \sim 45^\circ$). Sau đó mẫu bắt đầu quay! Thí nghiệm chứng minh rõ ràng sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng cơ học. Hiện tượng này có thể được gọi là hiệu ứng cơ quang từ. Hãy thử giải thích nguồn gốc của hiệu ứng này.

Một chùm ánh sáng tới bề mặt bên của mẫu hình trụ chiếu sáng một dải hẹp dọc có chiều rộng nhỏ dọc theo toàn bộ chiều dài của hình trụ. Các electron và lỗ trống do ánh sáng tạo ra sẽ khuếch tán từ vùng được chiếu sáng vào sâu trong mẫu hình trụ. Là kết quả của lực Lorentz, e.m. xuất hiện trên các electron và lỗ trống khuếch tán trong từ trường. d.s. Hiệu ứng FEM. Trong trường hợp này, tất cả các quá trình khuếch tán và tái hợp của các chất mang tạo ra ánh sáng diễn ra trong lớp mẫu, với phạm vi khoảng chiều dài khuếch tán. Phần còn lại của độ dày mẫu là thụ động và đóng vai trò là chất dẫn điện, đóng e. d.s. Hiệu ứng FEM. Toàn bộ mẫu có thể được biểu diễn dưới dạng vô số khung đường viền khép kín (một trong các cạnh của các khung này là một dải chiếu sáng hẹp của bề mặt mẫu). Mỗi khung như vậy ở phía của từ trường chịu tác dụng của một mô men lực, giá trị cực đại của nó tỷ lệ thuận với diện tích của khung và dấu vết của dòng điện trong đó. Tuy nhiên, do tính đối xứng của mẫu hình trụ nên tất cả các khung này đều có thể thay thế được