150433 (Квантовый выход светочувствительных структур полупроводник-металл-диэлектрик)

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина»

Физический факультет

Кафедра физики твёрдого тела

Квантовый выход светочувствительных структур полупроводник-металл-диэлектрик

Курсовая работа по специализации «Физика твёрдого тела»

специальности Физика (научно-педагогическая деятельность)

Брест, 2010г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ К.П.Д. СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОЛУПРОВОДНИК-МЕТАЛЛ

2. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

3. РЕФЕРАТ ОПИСАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4. СОВРЕМЕННЫЕ СВЕТОДИОДЫ

5. КАК УСТРОЕН И РАБОТАЕТ СВЕТОДИОД

6. ПОЛУЧЕНИЕ ГОЛУБЫХ СВЕТОДИОДОВ

7. ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛОГО СВЕТА С ПОМОЩЬЮ СВЕТОДИОДОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Материал – один из видов вещества, идущего на изготовление изделий. Одно из требований к нему – стабильность, сохранение внутреннего строения в процессе длительной эксплуатации, что присуще только твердому агрегатному состоянию. При переработке материала в изделия (резание, диффузия, окисление, нанесение покрытий и т.д.), когда воздействуют, в основном, на поверхностные слои, материалы не должны изменять внутреннего строения. Однако стабильность относительна, изменчивость же – абсолютна. Последняя проявляется как зависимость от внешних воздействий, основные из которых: изменение температуры – тепловое движение атомов и частиц; движение электронов, ионов и целых групп атомов под действием полей; диффузия – все ее виды; структурные дефекты и неоднородность самого материала. Отсюда и условность терминов и классификаций. Даже общепринятое разделение материалов на проводники, полупроводники и диэлектрики весьма относительно. Так при очень низких температурах разница между полупроводниками и диэлектриками стирается, а при повышенных температурах полупроводники становятся хорошими проводниками. Кроме того, есть вещества, занимающие промежуточное положение между этими типами материалов, что предоставляет широкий выбор для инженерного творчества.

Способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл

Предлагаемый способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл может найти практическое применение в фотолитографии, оптотехнике систем полупроводник-металл, при определении к.п.д. фотокатодов.

При облучении системы полупроводник-металл фотоактивным светом происходит диффузия ионов металла из металлического слоя в слой полупроводника. Для количественной оценки фотохимических превращений, происходящих в системе полупроводник-металл, необходимо определить квантовый выход частиц (ионов) металла в полупроводник, т.е. к.п.д. светочувствительной системы.

К.П.Д. (квантовый выход) является важной характеристикой фотохимической реакции. Он характеризует соотношение числа прореагировавших и поглотивших свет молекул (атомов).

Удельное сопротивление тонких (50-300Å) слоев металла зависит от их толщины. На этом базируется метод определения квантового выхода частиц металла в полупроводник. В нем по экспериментальной зависимости удельного сопротивления от толщины металлического слоя определялась толщина слоя Ag, растворенного в As₂S₃ под действием фотоактивного света. Основным недостатком предложенного способа является экспоненциальная зависимость удельного сопротивления от толщины слоя, что сопряжено с большими погрешностями.

Особенность предлагаемого способа состоит в регистрации изменения сопротивления металлического слоя системы полупроводник-диэлектрик под действием падающего излучения.

Фотохимическая реакция может быть охарактеризована несколькими квантовыми выходами: первичным и общим, связанным с выходом продуктов. Практически трудно, а иногда вообще невозможно, определить концентрацию частиц (следовательно, и квантовый выход), образующихся в первичном процессе. Вместе с тем легко определить концентрацию конечных продуктов, образующихся в результате вторичных реакций. При этом общий квантовый выход определяется соотношением:

, (1)

где N - число образовавшихся под действием поглощенных фотонов молекул или ионов, n - число квантов света, поглощенных исходным веществом.

Т.е., под квантовым выходом (к.п.д.) частиц (ионов) металла в слой полупроводника при фотохимических превращениях в системе полупроводник-металл подразумевается отношение числа ионов металла N, диффундировавших в слой полупроводника под действием света, к числу поглощенных системой квантов света n. Число квантов света n, поглощенных системой полупроводник-металл на данной длине волны, определяется с помощью калиброванного фотоприемника по поглощенной системой полупроводник-металл энергии, которая рассчитывается по величине падающей энергии за вычетом отраженной и прошедшей энергий.

Т.е., определение η сводится к определению N. Для измерения квантового выхода частиц (атомов, ионов) из металлического слоя в слой полупроводника предлагается способ контроля количества металла, растворенного в полупроводнике при облучении, не требующий измерения толщины металлического слоя. Толщина металлического слоя выбирается заведомо большой, чтобы он обладал физико-химическими свойствами, близкими к свойствам массивного металлического образца. Кроме того, точность определения числа частиц металла, диффундировавших в полупроводник, определяется лишь точностью измерения сопротивления, длины и ширины металлического слоя, которые можно выполнить с высокой точностью.

До облучения системы фотоактивным светом сопротивление металлической змейки 3 (фиг.)

Фиг. 1. Схема светочувствительной системы полупроводник-металл на диэлектрической подложке

, (2)

где ρ - удельное сопротивление металла, B - общая длина металлической полоски, D - ширина, Н – толщина полоски.

При облучении системы полупроводник-металл происходит диффузия ионов металла из металлического слоя 3 в слой полупроводника 2. Экспериментально обнаружено, что проводимость чистого и легированного частицами металла полупроводника значительно ниже проводимости оставшегося металлического слоя. Легко показать, что сопротивление металлического слоя после облучения системы

, (3)

где h – эффективная глубина облучаемого участка; H, b - толщина металлического слоя и длина облучаемого участка. Эффективная глубина h – это глубина металлического слоя, на которой образовались непроводящие продукты реакции. Как следует из выражений (2) и (3),

. (4)

В свою очередь, число ионов металла, диффундировавших из области облучаемого участка в полупроводник,

, (5)

где d, μ - плотность и молекулярный вес металла соответственно. Как следует из выражения (5), значение N явно не зависит от эффективной глубины h и поэтому отпадает необходимость в ее определении.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа в сравнении с прототипом заключаются в повышении точности измерений, экономии энергетических и временных затрат, необходимых для реализации способа, обусловленной простотой измерений сопротивления, отсутствием необходимости определения толщины и удельного сопротивления металлического слоя, уменьшением числа операций обработки результатов.

Формула изобретения

Способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл, включающий последовательное нанесение напылением на диэлектрическую подложку через трафарет слоя металла (в виде змейки) толщиной 200 нм, слоя дийодида олова толщиной 50 – 150 нм, экспонирование ультрафиолетовым или видимым светом, измерение энергии, поглощенной системой, измерение сопротивления металлического слоя (змейки), отличающийся тем, что число ионов металла, диффундировавших из облучаемого участка в полупроводник, определяют по изменению сопротивления металлического слоя в процессе облучения.

Реферат описания изобретения

Предлагаемый способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл может найти практическое применение в фотолитографии, оптотехнике систем полупроводник-металл, при определении к.п.д. фотокатодов.

Предлагается способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл, включающий последовательное нанесение напылением на диэлектрическую подложку через трафарет слоя металла (в виде змейки), слоя дийодида олова, экспонирование ультрафиолетовым или видимым светом, измерение энергии, поглощенной системой, измерение сопротивления металлического слоя (змейки), отличающийся тем, что число ионов металла, диффундировавших из облучаемого участка в полупроводник, определяют по изменению сопротивления металлического слоя в процессе облучения.

Современные светодиоды

В последние годы мы стали свидетелями стремительного развития и революционного совершенствования светодиодов (сокращенно ОИД — светоизлучающие диоды, в английском варианте LED — light emitting diodes) — твердотельных полупроводниковых источников света. Еще недавно светодиоды были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже высокоэффективные источники света, которые в ближайшие 10-15 лет преобразят мир искусственного освещения и полностью заменят лампы накаливания.

Чтобы понять, почему светодиодам пророчат большое будущее, рассмотрим подробнее их устройство, историю создания и развития. В 1907 году английский инженер Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение «непостижимо талантливый русский» Олег Владимирович Лосев.

Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение кристаллического детектора, этот, тогда еще 18-летний, радиолюбитель не ограничился констатацией «странного» факта, а незамедлительно перешел к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. То есть имел дело не с чем иным, как с прототипом полупроводникового прибора, названного впоследствии светодиодом. Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого изобретатель успел получить (до своей гибели на войне в 1942 г.) четыре патента.

С 1951 года центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», переместился в Америку, где его возглавил К. Леховец (США). В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли.

Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на р-п-переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников: соединений галлия (Ga), арсеникума (мышьяка — As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al), других элементов периодической системы Менделеева.

Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники — оптоэлектроники.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США) c красным и желто-зеленым свечением. Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм — области наивысшей чувствительности человеческого глаза, — поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт.

Термины, используемые для характеристики светодиодов

Квантовый выход — это число излученных квантов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и внешний квантовый выход. Внутренний — в самом p-n-переходе, внешний — для прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» — поглощаться, рассеиваться). Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным тепло-отводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих — 35%.

Внешний квантовый выход — одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Светоотдача — количество излучаемых люменов на единицу потребляемой мощности люмен/ватт (лм/Вт). Этот параметр показывает, сколько энергии, поступающей на светодиод превращается в свет, а сколько в тепло. Чем выше этот параметр, тем лучше.

Световой поток — величина, характеризующая количество излучаемого (поглощаемого или отраженного) света. Световой поток представляет собой мощность излучения, оцененную с позиции его воздействия на зрительный аппарат человека. Единица светового потока — люмен (лм).

Как устроен и работает светодиод?