NC6 Pomiary widma efektu fotoelektrycznego

Transkrypt

1 1. Efkt fotolktryczny C6 Pomiary widma fktu fotolktryczngo Fotony padając na matriał w pirwszj koljności przkazują swoją nrgię lktronom. Jżli wzbudzon lktrony zostaną wyrzucon z matriału w próżnię, będzimy mili do czyninia z zjawiskim fotolktrycznym zwnętrznym. W przypadku, gdy lktrony zostaną w matrial, al w stani w którym mogą poruszać się, otrzymamy fkt fotolktryczny wwnętrzny. Poruszając się lktrony będą przwodzić prąd, a więc fkt tn jst łatwo mirzalny. Jżli w matrial wbudowan są różnic potncjału, wzbudzon lktrony mogą zostać wprawion w ruch w kirunku niższgo potncjału. W zamkniętym obwodzi powoduj to powstani fotoprądu, a w obwodzi rozwartym powstaj fotonapięci. Gnrację napięcia pod wpływm oświtlnia nazywamy fktm fotowoltaicznym. Efkt fotolktryczny zwnętrzny ma ogromn znaczni, gdyż wykazuj kwantowa naturę światła. Zarówno fkt zwnętrzny jak i wwnętrzny spłniają prawo toltowa, zgodni z którym natężni fotoprądu jst wprost proporcjonaln do intnsywności padającgo światła. W szczgólności liczba wzbudzonych lktronów będzi równa liczbi fotonów pochłoniętych przz t lktrony. Aby foton mógł wywołać fkt fotolktryczny wwnętrzny, musi mić odpowidnią nrgię potrzbną do wzbudznia lktronu. Zatm mirząc zalżność widmową fotoprądu (czyli natężni w funkcji nrgii lub długości fali światła) możmy okrślić nrgi przjść lktronowych w matrial. Liczbę nośników ładunku (lktronów lub dziur) w jdnostkowj objętości nazywamy koncntracją. Zdolność cząstk do przwodznia prądu okrśla ich ruchliwość, µ, czyli śrdnia prędkość, jaką osiągają on w jdnostkowym polu lktrycznym. Ruchliwość nośników zalży od ich masy fktywnj, m*, która jst różna w różnych matriałach. Jżli w próbc znajdują się lktrony o koncntracji n i ruchliwości µ, to przwodnictwo właściw ciała będzi wynosiło: σ = nµ, gdzi: ładunk lmntarny (1, C). Jżli do takigo matriału przyłożymy pol lktryczn F, to popłyni w nim prąd o gęstości: j = nµf. Wiązka światła o mocy P nisi, Φ = P/hν, fotonów na skundę (hν - nrgia fotonów). Jżli współczynnik absorpcji α jst duży, to wszystki fotony zostaną pochłonięt. W przypadku małgo współczynnika α, w ciągu skundy gnrujmy śrdnio Pα/hν/ par lktron-dziura w jdnostc objętości (gdzi pol powirzchni matriału). Jżli czas życia wzbudzonych nośników wynosi τ, to przz próbkę popłyni fotoprąd: P I F = ηi ατµ F, (1) hν Wprowadzony tu został współczynnik η Ι oznaczający wwnętrzną sprawność kwantową (na ogół mnijszą od 1). Założono tż, ż ruchliwość nośników ni zalży od oświtlnia. Wzór jst przybliżony, a poszczgóln lmnty są trudn do zmirznia. Dlatgo znaczni bardzij praktyczny jst inny opis poprzz wyznaczani zwnętrznj wydajności kwantowj, η Ε (EQE xtrnal quantum fficincy) zdfiniowanj wzorm: I F = η Ε P, hν (2a) lub I F = η Ε P, W przypadku dfinicji (2a) otrzymujmy wydajność w lktronach na foton, a w przypadku (2b) w amprach na wat [A/W]. Wbudowaną różnic potncjałów (potrzbną do uzyskani fktu fotowoltaiczngo) otrzymujmy najczęścij przy pomocy złącz, czyli połącznia dwóch matriałów o różnych potncjałach chmicznych. a) Złącza p-n występują w półprzwodnikach, w których połączono obszar typu p (wysoki potncjał lktronów z obszarm typu n (niski potncjał). Pomiędzy obszarami p i n powstaj strfa zubożona, w którj ni ma nośników, natomiast występuj siln pol lktryczn. Pol lktryczn wywołuj ruch lktronów wzbudzonych światłm. Wykorzystywan są np. w krzmowych ogniwach słoncznych. (2b) 1

2 b) Złącza m-s powstają na styku mtal półprzwodnik. Mtal mający niższy potncjał ściąga lktrony z półprzwodnika. W półprzwodniku powstaj strfa zubożona z silnym polm lktrycznym, któr umożliwia powstani fktu fotowoltaiczngo. Taki struktury wykorzystywan są w szybkich fotodtktorach. c) Htro-złącza powstają na styku dwóch różnych chmiczni matriałów o różnych potncjałach. Elktrony docirają do złącza na skutk dyfuzji, a następni przchodzą do matriału o niższym potncjal. zczgólnym przypadkim są tu htro-złącza objętościow (bulk htro-junction, BHJ) powstając na skutk wymiszania dwóch matriałów drobnoziarnistych (w skali nanomtrów). Wykorzystuj się j w polimrowych batriach słoncznych. Przyrząd lktroniczny zawirający pojdyncz złącz to dioda. Prąd w złączu zalży wykładniczo od różnicy potncjałów wbudowanych Φ oraz przyłożongo napięcia U (prawo hocklya). U = R xp(- Φ) U xp 1 nk B T Jżli złącz oświtlimy i zamknimy obwód, to otrzymamy fotoprąd. Jżli prąd ni będzi mógł płynąć, to na złączu pojawi się napięci zbliżon do Φ. Przyrząd tn moż zaminiać światło na prąd i napięci, a więc jst to fotodtktor lub ogniwo słonczn. Różnic pomiędzy tymi przyrządami są niwilki. Konstruując fotodtktor staramy się, aby miał on jak największą czułość oraz jak najmnijsz szumy i prąd cimny. W przypadku ogniw słoncznych optymalizowan są wydajność i cna. (3) 2. Badan matriały W trakci ćwicznia będzimy mirzyć krzmow ogniwo słonczn (z złączm p-n), fotodtktor Au- GaAs zawirający kropki kwantow InAs w złączu m-s, diodę AlGaAs zawirającą złącz p-n i studni kwantow GaAs oraz ogniwo słonczn pracując na htrozłaczu objętościowym fullrn-poliazomtina (C- PAZ). W ciałach krystalicznych lktrony przbywają w potncjal mającym charaktr okrsowy. a skutk tgo ich funkcj falow mają postać funkcji Blocha. Postać ta dopuszcza możliwość ruchu lktronów, aczkolwik cząstczki przz nią opisywan mają nioczkiwan własności ich masy różnią się od masy lktronu w próżni, a ich ładunki mogą być dodatni. E GaAs p-typu studnia GaInAs GaAs n-typu pasmo przwodnictwa h h hh x pasmo walncyjn Rys 1. truktura pasmowa półprzwodnika z wbudowanym złączm p-n i studnia kwantową (podwójnym htrozłączm). Zalżność ich nrgii, E, od psudopędu, p = ħk, takż jst inna niż dla lktronu w próżni. Zalżność E(k) pokazuj, z lktrony mogą znajdować się w pwnych pasmach. Rozróżniamy pasmo walncyjn, zawirając cząstczki o ładunku dodatnim dziury i pasmo przwodnictwa, w którym znajdują się ujmni naładowan lktrony (poprawni kwazi-lktrony). Pasma t oddzilon są przrwą nrgtyczną. zrokość przrwy nrgtycznj w półprzwodniku miści się w granicach od 0 V (CdHgT) do ponad 5 V (Al, diamnt). Półprzwodniki różnią się od mtali tym, ż w zrowj tmpraturz, mają całkowici zapłnion pasmo walncyjn i całkowici pust pasmo przwodnictwa. 2

3 W przyrządach lktro-optycznych bardzo często wykorzystujmy matriały półprzwodnikow z grupy III- V. Do III grupy nalżą np Al, Ga i In, a do V grupy:, P, As. Związki t (np InAs, GaP, Ga) krystalizują w strukturach wurcytu lub sfalrytu w których każdy atom wiąż się symtryczni z 4 sąsiadami patrz rys. 2). Powstał w tn sposób 4 wiązania są obsadzan trzma lktronami z kationu i pięcioma z anionu. Dzięki tmu pasmo walncyjn jst całkowici zapłnion, a pasmo przwodnictwa pust. Dopiro po pobudzniu matriał przwodzi. Związki t mają znakomit własności optyczn. Za wykorzystani Ga do produkcji diod świcących przyznano nagrodę obla w 2014 r. Często wykorzystywan są tż związki miszan np. GaIn (stop Ga i In). Łącząc warstwy o różnym składzi, można wytwarzać htrostruktury (nagroda obla z 2000 roku). Otrzymujmy w tn sposób np. studni kwantow wykorzystywan midzy innymi do zwiększnia jasności diod świcących. Rys. 2. Fragmnt struktury związku typu III-V (wurcyt). Rys. 3. Fragmnt struktury poliazomtiny (poli aminofnylo-fluorno-anilino-tiofn). W matriałach polimrowych stany lktronow opisujmy w postaci orbitali lktronowych pojdynczych cząstczk polimru. Elktrony zajmują orbital o najniższych nrgiach. ajwyższy obsadzony orbital nazywamy HOMO (highst occupid molcular orbital). Utożsamiany jst on z pasmm walncyjnym. Jżli następny obital, najniższy ni obsadzony (LUMO lowst unoccupid molcular orbital), oddzilony jst znaczącą (0.1-2 V) przrwą nrgtyczną, a wzbudzon lktrony mogą rozchodzić się po całj cząstczc, to mamy do czyninia z półprzwodnikim polimrowym. Orbital LUMO moż być w przybliżniu traktowany jako pasmo przwodnictwa. Ważną grupę stanowią tutaj polimry z sprzężonymi wiązaniami, czyli mając np. układ wiązań typu: pojdyncz, podwójn, pojdyncz, podwójn itd. 3. Pomiary Podstawowym przyrządm do pomiaru widma jst spktromtr. pktromtr umożliwia rozszczpini wiązki światła na strumini fotonów o różnych długościach fali (czyli różnych nrgiach), a następni na pomiar natężnia dla poszczgólnych długości fali. pktromtr optyczny składa się z: - układu kolimującgo (szczlina wjściowa umiszczona w ognisku soczwki lub zwirciadła skupiającgo), - lmntu dysprsyjngo (pryzmat lub siatka dyfrakcyjna). Dla pryzmatu, kąt odchylnia zminia się na skutk zalżności współczynnika załamania od długości fali. Dla siatki, kąt α zalży od długości fali zgodni z równanim: α = arcsin(gλ), gdzi g gęstość siatki. - układu skupiającgo (soczwka lub zwirciadło skupiając światło na szczlini wyjściowj). zczgółowy opis konstrukcji spktromtrów można znalźć w Encyklopdii Fizyki lub w Wikipdii w wrsji angilskij (hasła: spctromtr, monochromator). W wilu układach pomiarowych spotykamy się z problmm szumów, któr czasami są porównywaln z sygnałm mirzonym. Jdną z mtod oddzilnia słabgo sygnału od szumu jst jgo modulacja. a przykład, możmy modulować strumiń światła pobudzającgo, zasłaniając i odsłaniając go przy pomocy wiatraczka (chopra). 3

4 podziwamy się, ż sygnał wzbudzany modulowanym światłm, równiż będzi modulowany. Jżli wykonamy pomiar w momnci czasu, gdy spodziwamy się sygnału, a następni wykonamy pomiar w chwili, gdy jst sam szum, to różnica wyników tych pomiarów da nam liczbę znaczni mnij obciążoną błędm niż prosty pomiar. Aby dodatkowo poprawić jakość wyniku, nalży powtórzyć pomiar wil razy i uśrdnić. Urządznim, któr potrafi wykonać całkowani w zadanych okrsach czasu jst woltomirz fazoczuły (lock-in). Do woltomirza dostarczany jst sygnał odnisinia odpowiadający modulacji i lktryczny sygnał który chcmy zmirzyć. pobudzani sygnał dtktor fazoczuły (lock-in) +śrdnia + -śrdnia U out Rys. 4. chmat działania woltomirza fazoczułgo Woltomirz fazoczuły uśrdnia sygnał mirzony zgodni z fazą modulacji, czyli z znakim plus w chwili, gdy sygnał odnisinia jst wysoki, a z znakim minus, gdy sygnał odnisinia jst niski. Zatm sumując po całym okrsi modulacji otrzymujmy różnicę sygnału jasngo i cimngo. 4. Przbig ćwicznia A. Kartkówka sprawdzająca przygotowani studntów do ćwicznia. B. Zapoznani się z układm optycznym, lktronicznym i programami pomiarowymi. Będzimy stosować modulację światła i woltomirz fazoczuły. C. prawdzni kalibracji przy pomocy lampy rtęciowj. prawdzamy, czy program prawidłowo pokazuj długość fali zilonj linii rtęci wynoszącą 546 nm. D. Pomiar widm fotoprądu dtktora AlGaAs w zakrsi 0,5 1,2 µm, w funkcji natężnia światła. atężni światła rgulujmy zminiając szrokość szczliny wjściowj w zakrsi 0,05-0,5 mm. E. Pomiar widm fotoprądu dla i, InGaAs, AlGaAs i C-PAZ. tudnci powinni samodzilni dobrać zakrsy pomiarow i szrokości szczliny. 5. Przygotowani opisu Grupa pisz jdn wspólny opis. Opis powinin składać się z następujących części: 1. trszcznia, 2. Wstępu tortyczngo, 3. Opisu układu pomiarowgo i próbk, 4. Wyników i ich analizy, 5. Podsumowania zawirającgo wnioski. Ad. 1. trszczni powinno być krótki (kilka zdań), al powinno zawirać opis doświadczń oraz najważnijsz wyniki i wnioski. Ad. 2. alży zamiścić uzasadnini stosowanych wzorów. Ad. 4. Wynikami pomiarów są widma fotoprądu zmirzon dla różnych mocy oraz dla różnych próbk. Analizując zaobsrwowan zalżności widm od mocy nalży stwirdzić, czy fotoprąd jst proporcjonalny do mocy (nalży narysować wykrsy i dopasować prost) i zasugrować możliw mchanizmy powodując brak proporcjonalności. Widma zmirzon przy różnych szczlinach nalży przliczyć do szrokości szczliny s = 1 mm. Obliczyć widma zwnętrznj wydajności kwantowj, uwzględniając fakt, ż moc światła w jdnostkach układu, dla s = 1 mm, wynosi: 4.2*10 5 *(hν) 4 /(xp(hν/0.175)-1), (nrgia hν w V). Ad. 5. Przdstawić nalży fizyczn (naukow) znaczni własnych wyników. 4

5 Przygotowując opis, nalży pamiętać o numracji wzorów (1) i rysunków (patrz rys. 1.). Przy korzystaniu z matriałów (tksty, rysunki, programy) pochodzących od innych autorów nalży w tkści umiścić odnośnik [1], a na końcu podać spis cytowanych źródł (autor, tytuł, adrs strony itp.). 6. Przykładow pytania na kartkówkę 1. Dtktor oświtlony światłm o mocy P = 9 µw i śrdnij nrgii fotonów hν = 3 V, daj prąd I F = 0,75 µa. Oblicz zwnętrzną wydajność kwantową tgo dtktora w lktronach na foton. 2. Śrdnia zwnętrzna wydajność kwantową ogniwa słonczngo wynosi 10% (liczona w lktronach na foton). Jaki prąd uzyskamy z 0,5 m 2 takigo ogniwa, przy dobrj pogodzi, to znaczy natężniu światła słonczngo I = 1000 W/m 2? Zakładamy śrdnią nrgię fotonów hν = 2 V. 3. Jaką powirzchnię musi mić fotoogniwo, aby można było otrzymać z nigo prąd o natężniu 10 A. Zakładamy, ż natężni światła słonczngo I = 1000 W/m 2, śrdnia zwnętrzna wydajność kwantowa ogniwa wynosi 10% (liczona w lktronach na foton), a śrdnia nrgia fotonów hν = 2 V. Uwagi do zadań 1-3: - a kartkówc będą podan inn liczby. - Wat można przdstawić jako: W = A*V, a więc dziląc moc wyrażoną w watach przz hν w V otrzymujmy [W/V] = [A/], czyli t sam jdnostki, co z dzilnia natężnia prądu przz ładunk I/ [A/]. Tak więc licząc powyższ zadania ni trzba dzilić przz. 4. Między jakimi stanami zachodzi wzbudzni w fkci fotolktrycznym wwnętrznym? 5. Jaki zakrs światła będzi widział dtktor wykonany z GaP (przrwa nrgtyczna 2.2 V)? 6. Jaki prawo opisuj zalżność prądu od natężnia światła w fkci fotolktrycznym? 7. Jak można wbudować na stał pol lktryczn do matriału? 8. Od jakigo paramtru zalży napięci (siła lktromotoryczna) dawan przz fotodiodę? 9. Jaki prawo opisuj zalżność prądu od napięcia w diodzi? 10. Monochromator ustawiony jst tak, ż gdy oświtlimy jgo szczlinę wjściową białym światłm, to z szczliny wyjściowj otrzymamy zilon. Co się stani, gdy szczlinę wyjściową oświtlimy światłm zilonym? 11. Do czgo służą zwirciadła w monochromatorz? 12. Jaki zjawisko odpowiada za rozszczpini światła w pryzmaci? 13. Jak możmy zwiększyć jasność światła wychodzącgo z monochromatora. 14. Podaj przykłady tchnik prowadzących do poprawy stosunku sygnału do szumu. Przykładow odpowidzi: - uśrdniani, modulacja pobudzania, filtrowani częstości, dtkcja fazowa, 15. Do czgo służy woltomirz fazoczuły? 5