ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Podobne dokumenty
BADANIE CHARAKTERYSTYK FOTOELEMENTU

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

półprzewodniki Plan na dzisiaj Optyka nanostruktur Struktura krystaliczna Dygresja Sebastian Maćkowski

Efekt fotoelektryczny

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Badanie efektu Faraday a w kryształach CdTe i CdMnTe

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

UNIWERSYTET SZCZECIŃSKI INSTYTUT FIZYKI ZAKŁAD FIZYKI CIAŁA STAŁEGO. Ćwiczenie laboratoryjne Nr.2. Elektroluminescencja

Przejścia promieniste

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Wprowadzenie do ekscytonów

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Ćwiczenie nr 2. Pomiar energii promieniowania gamma metodą absorpcji

IR II. 12. Oznaczanie chloroformu w tetrachloroetylenie metodą spektrofotometrii w podczerwieni

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY ZEWNĘTRZNY

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ FIZYKI TECHNICZNEJ I MATEMATYKI STOSOWANEJ EKSCYTONY. Seminarium z Molekularnego Ciała a Stałego Jędrzejowski Jaromir

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie stałej szybkości i rzędu reakcji metodą graficzną. opiekun mgr K.

Ćwiczenie 375. Badanie zależności mocy promieniowania cieplnego od temperatury. U [V] I [ma] R [ ] R/R 0 T [K] P [W] ln(t) ln(p)

BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

Monochromatyzacja promieniowania molibdenowej lampy rentgenowskiej

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Własności optyczne półprzewodników

J Wyznaczanie względnej czułości widmowej fotorezystorów

IM-4 BADANIE ABSORPCJI ŚWIATŁA W MATERIAŁACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Rozszczepienie poziomów atomowych

Badanie absorpcji promieniowania γ

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Spektroskopia molekularna. Ćwiczenie nr 1. Widma absorpcyjne błękitu tymolowego

Ćwiczenie nr 5 Doświadczenie Franka-Hertza. Pomiar energii wzbudzenia atomów neonu.

Absorpcja promieni rentgenowskich 2 godz.

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

SPRAWDZENIE PRAWA STEFANA - BOLTZMANA

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Ćwiczenie nr 82: Efekt fotoelektryczny

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

Analiza spektralna i pomiary spektrofotometryczne

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

Przejścia kwantowe w półprzewodnikach (kryształach)

Ćwiczenie Nr 11 Fotometria

Ćwiczenie nr 2 : Badanie licznika proporcjonalnego fotonów X

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Własności optyczne półprzewodników

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Rys.2. Schemat działania fotoogniwa.

IM-8 Zaawansowane materiały i nanotechnologia - Pracownia Badań Materiałów I 1. Badanie absorpcji promieniowania gamma w materiałach

Ćwiczenie E17 BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH MODUŁU OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH I SPRAWNOŚCI KONWERSJI ENERGII PADAJĄCEGO PROMIENIOWANIA

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie szerokości przerwy energetycznej przez pomiar zależności oporności elektrycznej monokryształu germanu od temperatury.

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Ćwiczenie nr 123: Dioda półprzewodnikowa

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Spektrofotometryczne oznaczanie stężenia jonów żelaza(iii) opiekun mgr K. Łudzik

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Sposób wykonania ćwiczenia. Płytka płasko-równoległa. Rys. 1. Wyznaczanie współczynnika załamania materiału płytki : A,B,C,D punkty wbicia szpilek ; s

Widma odbicia i transmisji cienkich warstw, struktur wielowarstwowych i kryształów. Paweł Turbak i Tomasz Winiarski

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

WYZNACZENIE STAŁEJ PLANCKA NA PODSTAWIE CHARAKTERYSTYKI DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNEJ

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

SCENARIUSZ LEKCJI. Streszczenie. Czas realizacji. Podstawa programowa. Cele kształcenia wymagania ogólne:

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU CZĘŚĆ (A-zestaw 1) Instrukcja wykonawcza

Ćwiczenie 3++ Spektrometria promieniowania gamma z licznikiem półprzewodnikowym Ge(Li) kalibracja energetyczna i wydajnościowa

gamma - Pochłanianie promieniowania γ przez materiały

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU.

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

Temat: Promieniowanie atomu wodoru (teoria)

ĆWICZENIE 44 BADANIE DYSPERSJI. I. Wprowadzenie teoretyczne.

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

OCENA PRZYDATNOŚCI FARBY PRZEWIDZIANEJ DO POMALOWANIA WNĘTRZA KULI ULBRICHTA

Laser z podwojeniem częstotliwości

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

J6 - Pomiar absorpcji promieniowania γ

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE

Doświadczenie nr 6 Pomiar energii promieniowania gamma metodą absorpcji elektronów komptonowskich.

Jan Drzymała ANALIZA INSTRUMENTALNA SPEKTROSKOPIA W ŚWIETLE WIDZIALNYM I PODCZERWONYM

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki UNIWERSYTET GDAŃSKI

Światło fala, czy strumień cząstek?

Krawędź absorpcji podstawowej

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Ćwiczenie 4. Fotoprzewodnictwo cienkich warstw i. Paweł Turbak Tomasz Winiarski

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Transkrypt:

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH ĆWICZENIE Nr 4 Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników

I. Cześć doświadczalna. 1. Uruchomić Spekol /wg. instrukcji podanej w punkcie III/. 2. Przeprowadzić pomiar krzywej wzorcowej dla fotokomórki czerwonej. Sporządzić wykres I 0 /λ/ dla zakresu 450-600 nm, pomiary przeprowadzać co 5 nm. Przez I 0 rozumiemy natężenie promieniowania świetlnego docierającego do fotokomórki, gdy na jego drodze nie ma badanego kryształu. Natężenie promieniowania odczytujemy w jednostkach względnych bezpośrednio na skali przyrządu. W celu zmierzenia krzywej wzorcowej należy odłączyć do przyrządu komórkę zawierającą kryształ 3. Przeprowadzić pomiary dla kryształu w tym samym zakresie i dla tych samych długości fal. W obszarze krawędzi absorpcji zagęścić punkty pomiarowe do 1 nm. Wartości odczytywane z przyrządu będą natężeniem promieniowania przechodzącego przez kryształ - I/λ/ w jednostkach względnych. II. Opracowanie danych doświadczalnych. 1. Obliczyć transmisję kryształu T. Obliczamy ją jako stosunek względnych natężeń: promieniowania przechodzącego przez kryształ - I/λ/ i promieniowania padającego I 0 /λ/ : I / λ / T = I / / 0 λ Przeliczanie zakresów wzmocnienia : /200/ = 2.031. /100/ /500/ = 2,554. /200/ /1000/ = 2,145. /500/ Sporządzić wykres zależności transmisji od energii fotonów - hν. Energię fotonu /w ev/ o długości fali λ /w µm/ obliczamy : 1,24 h ν = λ 2.Obliczyć współczynnik pochłaniania. Sposób obliczenia podany jest w dalszej części instrukcji. Sporządzić wykresy zależności α 2 i α od energii kwantu i na ich podstawie określić czy przejście jest proste czy skośne.

3. Określić wartość przerwy wzbronionej i jeśli przejście jest skośne, wartość energii fononu biorącego w nim udział. 4. Przeprowadzić rachunek błędów. III. Uruchomienie przyrządu. 1 3 Wskaźnik 4 2 wzmacniacz dodatkowy 5 przyrząd pomiarowy zasilanie lampy 6 1. Pokrętło regulacji wzmocnienia - 3 ustawić na 0. 2. Włączyć wzmacniacz dodatkowy i odczekać 15 min. /włącznik - 1/. 3. Włączyć zasilanie lampy /włącznik - 6/. 4. Ustawić pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia - 4 w krańcowym lewym położeniu. 5. Pokrętło kompensacji tła - 2 ustawić na 0. 6. Przy zamkniętym dopływie światła - przełącznik 5 w pozycji 0 - ustawić 3 na maksimum sprowadzając pokrętłem 2 wskazówkę przyrządu na 0. 7. Zmniejszyć wzmocnienie do 50 i otworzyć dopływ światła - przełącznik 5 w pozycji I. 8. W czasie pomiarów stosować większe wzmocnienia w zależności od potrzeb czuwając by nie przekroczyć zakresu przyrządu, UWAGA!!! Przy niewłaściwym uruchomieniu przyrząd może ulec uszkodzeniu.

IV. Podstawowe wiadomości teoretyczne. 1. Odbicie i pochłanianie. W przypadku prostopadłego padania światła na kryształ następuje częściowe jego odbicie. Współczynnik odbicia /dla normalnego padania światła/ opisany jest wzorem: n 1 R = n + 1 Jest to wzór przybliżony - pomijamy tu ekstynkcję, która w większości przypadków jest mniejsza od 10-2. Współczynnik pochłaniania światła definiujemy jako : 1 di / hν / α = I / hν / dx czyli jako względne zmniejszenie natężenia światła na jednostkę drogi w krysztale. Wychodząc z tej definicji otrzymujemy : αx I = I 0 e, gdzie : I 0 - natężenie wiązki padającej I - natężenie wiązki wychodzącej x - grubość kryształu /kryształ wykorzystywany w doświadczeniu ma grubość 0,4 cm/ Uwzględniając normalne odbicia od ścian kryształu /jeśli światło pada na nie prostopadle/ otrzymamy : αx I = I 0 Be B jest tu współczynnikiem, który może być funkcją energii fotonów : B = /1-R/ 2 Oznaczając transmisję przez T mamy : αx T = Be Z tego wzoru możemy obliczyć współczynnik pochłaniania światła : α = 1 / lnt + ln B / x Dla fotonów o energii mniejszej od energii przerwy wzbronionej można przyjąć, że B jest równe zmierzonej wartości transmisji /czyli, że α=0/. Jeśli w zakresie małych energii B nie zależy od energii fotonu, to możemy przyjąć, że wartość tego współczynnika jest stała w całym zakresie interesujących nas energii. Dla B zależnego od energii fotonów, w celu obliczenia współczynnika pochłaniania światła konieczne jest ekstrapolowanie jego wartości do zakresu energii dla których przeprowadzamy obliczenia. 2

2. Pochłanianie promieniowania przez kryształ. Przykładowe widmo absorpcji w szerokim zakresie energii fotonów przedstawione jest na rysunku : 3. Absorpcja podstawowa. Określenia to obejmuje przejścia międzypasmowe oraz ekscytonowe tzn. wzbudzenia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Przejścia proste. Zachodzą one w półprzewodnikach z prostą przerwą energetyczną: Współczynnik pochłaniania światła zachodzącego w wyniku przejść prostych dozwolonych spełnia równanie : α / hν / = A/ hν Eg 1 2 /

Z wykresu zależności α 2 od hν można wyznaczyć wartość przerwy wzbronionej przedłużając najbardziej stromy prostoliniowy odcinek krawędzi absorpcji do przecięcia się z osią energii : Przejścia skośne. Mamy z nimi do czynienia w półprzewodnikach ze skośna przerwą energetyczną. W przejściu takim musi brać udział fonon - możliwe są przejścia z emisją i absorpcją fononu - energie emitowanych kwantów będą odpowiednio mniejsze i większe od E g. Współczynniki absorpcji mają postać : C hν Eg + E f α a ( hν ) = E f exp 1 kbt α e ( hν ) ( ) ( hν E + E ) C g f = E f 1 exp kbt Łącznie współczynnik absorpcji : α( hν ) = α ( hν ) α ( hν ) e + a 2 2

Wykres współczynnika absorpcji przedstawiono na rysunku poniżej. Posługując się takim wykresem można wyznaczyć oprócz przerwy energetycznej także wartość biorącego udziału w przejściu fononu. Absorpcja ekscytonowa. Ekscytonem nazywamy parę elektron-dziura związane ze sobą siłami przyciągania elektrycznego. Energia potrzebna do utworzenia ekscytonu jest mniejsza niż szerokość przerwy energetycznej o energię wiązania ekscytonu. W przypadku materiału z prostą przerwą energetyczną przejścia zachodzą dla fotonów o energiach: hν = E g E ex

- Charakterystyczny dla przejść ekscytonowych pik /pokazany na wykresie dla temperatury T 2 / w temperaturach wyższych /zbliżonych do pokojowej/ ulega rozmyciu i praktycznie nie jest obserwowany. Dla materiałów o skośnej przerwie energetycznej w przejęciach musi brać udział fonon. Przejścia zachodzą dla energii : hν = E ± E E g f ex Występujące na krawędzi absorpcji stopnie są konsekwencją faktu, że w miarę wzrostu energii fotonu w przejściu mogą brać udział kolejne typy fononów. Tak jak i w poprzednim przypadku charakterystyczny kształt krzywej obserwuje się - tylko dla niskich temperatur. V. Wymagania. 1. Struktura energetyczna półprzewodników, 2. Prosta i skośna przerwa energetyczna. 3. Odbicie i pochłanianie światła w krysztale. 4. Ekscytony i poziomy ekscytonowe. 5. Absorpcja w kryształach. 6. Absorpcja podstawowa - przejścia proste - przejścia skośne - absorpcja ekscytonowa

VI. Literatura. 1. W.Giriat Struktura krawędzi absorpcji podstawowej w półprzewodnikach. Postępy fizyki t.xiv, zeszyt 5 /1963/ str.569 2. J. Pankove Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, W-wa 1974 3. Iu. Uchanow Optyczne właściwości półprzewodników 4. C. Kittel Wstęp do fizyki ciała stałego 5. F. Blatt Fizyka zjawisk elektronowych w metalach i półprzewodnikach 6. Szalimowa Fizyka półprzewodników 7. Smith Półprzewodniki 8. R.J. Elliot, A.F. Gibson An Intoduction to Solid State Physics and its Applications, London 1974