|
-§. strukturalarda fotoeffekt
|
| bet | 2/11 | | Sana | 12.10.2022 | | Hajmi | 1.67 Mb. | | #27062 |
Bog'liq 8-bob grammar worksheets, ELEKTR, 1-10 uzb, 1204406, Abdullayev Tezis 3, 4-Tema, HISOBOTI MAGISTR, 10 Informatika JavoblarUZB 10, 7-mavzu. Ekonometrik modellarni baholash, nazariy-o-qitishning-zamonaviy-usullarining-mazmuni-va-tuzilmasi, Kurs ishi yuzi, TARMOQDA MA’LUMOTLARNI XAVFSIZLIGI Raxmatilloyev Xurshidbek, Tayor Tarmoqlar – maqsad va vazifalar, 49-518.2-§. strukturalarda fotoeffekt
Keng qo’llanilayatgan tolali-optik sistemalarda asosiy elementlardan biri fotoqabulqilgichlardir. Fotoqabulqilgichlarga quyiladigan asosiy talablar tez ishlay olish va yuqori fotosezgirlikdir. Shu tufayli optik aloqa yo’llarida strukturali fotodiodlar va ko’chkili fotodiodlar keng qo’llanila boshlanadi.
Kichik solishtirma qarshilikli va tipli soxalar orasida qarshiligi xususiy solishtirma qarshilikka yaqin bo’lgan tipli qatlam hosil qilinsa, u holda diod hosil bo’ladi. 8.3, a-rasmda fotodiod tuzilishi tasvirlangan. strukturali fotodiod taglikdan (podlojkadan), kuchsiz legirlangan qatlamdan (qalingligi 0.3mkm gacha) qatlamdan iborat. Bu strukturaga teskari kuchlanish berilganda butun qatlam zaryad tashuvchilardan kambag’allashadi. Bunda Strukturaning elektr sig’imi kamayadi, yorig’lik yutiladigan soxa kengayadi
8.3-rasm. Ro’parasidan yoritilgan kremniy fotodiod hamda teskari kuchlanish berilgan diodning energetik zonalar diagrammasi.
va sezgirlik ortadi. Tushayotgan yorug’likda fotonning energiyasi bo’lganda yorug’lik Buger-Lamberg qonuni bo’yicha yutila borib, elektron kovak juftlarini vujudga keltiradi. Bu zaryad tashuvchilar kambag’allashgan qatlamning elektr maydoni da tezlantiriladi .
qatlam qalinligi yorug’lik yutulishi chuqurligi (yani ) dan kattaroq qilinadi. To’lqin uzunligi bo’lgan yorug’likning kremniyida yutulish chuqurligi , yetarlicha keng kambag’allashgan qatlam hosil qilish uchun esa chamasida ishchi kuchlanish zarur.
Endi dioddan o’tadigan fototokni hisoblaylik. Yuqorida aytilganlar asosida qatlamda paydo qilingan nomuvozanat holatdagi zaryad tashuvchilarning fototokka qo’shadigan hissasini e’tiborga olmaymiz. Bunda yorug’lik (nurlanish) sirtdagi qatlamda kuchsizlanmasdan o’tib, hajmiy zaryadli sohaga vujudga kelgan electron-kovak juftlarni elektr maydon to’la ajralib yuboradi, oqibatda turli ishorali zaryad tashuvchilar bir-biridan . Hajmiy zaryad soxasida ( soha) qalinligini bilan belgilaymiz. U holda ajiratilgan zaryad tashuvchilarning tok zichligiga qo’shadigan hissasi quydagicha bo’ladi:
(8.22)
sohada vujudga keltirilgan tashuvchilar ham (diffuziya tufayli) fototokka hissa qo’shadi, bo’lganda diffusion tok ifodasi:
(8.23)
Demak ning qalinlikdagi bazasi orqali zaryad tashuvchilar uchib o’tish vaxti
(8.24)
Ko’rinishida ifodalanadi.
(8.25)
Nisbat dreyf ko’chirishning diffuzion ko’chirishga nisbatan effektivligini (afzalligini) ifodalaydi. bo’lganda fotodiodning dreyf vaxt doimiysi s chamasida bo’ladi. Bu subnanosekund diapazonida tez ishlovchi kremniy fotodiod yaratish imkoniyati borligini ko’rsatadi.
8.3-§. Shottki diodlarida fotoeffekt
Vakuumda yarimo’tkazgich ustiga metallni changlatib o’tkazilganda (ular orasida oksid qatlami yo’q bo’lganda ) yarimo’tkazgich va metal oralig’i sm chamasida bo’ladi. Agar tipli yarimo’tkazgichda elektronning chiqish ishi uning metalldagi chiqish ishi dan kichik bo’lsa (8.4, a-rasm), bu holda kontakt orqali elektronlar yarimo’tkazgichdan metallga o’tadi va uning sirtini manfiy zaryadlaydi.
a) b)
8.4-rasm. Metall va yarimo’tkazgichning kontaktlanishdan oldingi energetik zonalar diagrammalari , metal va yarimo’tkazgich kontaktlashganda hamda kuchlanish bo’lmaganda Shottki potensial to’sig’ining paydo bo’lishi .
Yarimo’tkazgichning kontakt yaqinidagi qatlamdan elektronlar ketib qolishi oqibatida bu qatlamda donor ionlaridan iborat musbat hajmiy zaryad paydo bo’ladi, yarimo’tkazgichning kontaktlashgan sirti musbat zaryadlanib qoladi. Yarimo’tkazgichdagi hajmiy zaryad qatlami ancha katta bo’lishi mumkin. Kontakt qatlamida elektr maydon vujudga keladi va elektronlarni joyidan ketqazadi. Oqibatda yarimo’tkazgich kontaktlashgan sirtdan hajmi tomonga energiya sathlari pasayadi (8.4, b-rasm). Bu jarayon metall – yarimo’tkazgich sistemasida umumiy Fermi sathi o’rnashib olguncha davom etadi. Bu holda kontakt orqali tok nolga teng bo’ladi, yani dinamik muvozanat o’rnashadi – elektronlarning metalldan yarimo’tkazgichga va yarimo’tkazgichdan metallga yo’nalgan toklari o’zaro tenglashadi. Kontakt qatlamidagi hajmiy zaryadning elektr maydoni yarimo’tkazgichdan metall tomonga harakatlanayotgan elektronlar uchun potensial to’siq hosil qiladi, uning balandligi:
. (8.26)
Elektronlarning metalldan yarimo’tkazgich tomonga yo’nalgan oqimi uchun potensial to’siq balandligi
(8.27)
bo’ladi, bu yerda - yarimo’tkazgichning elektron yaqinlik energiyasi (elektronni sathdan vakuumga chiqarish uchun lozim bo’lgan energiya).
Kontaktga tashqi to’g’ri kuchlanish berilganda potensial to’siq pasayadi, aksincha, teskari kuchlanish berilganda ko’tariladi; umuman:
(8.28)
To’g’ri va teskari kuchlanish berilgan hollarda, taqriban, metalldan yarimo’tkazgich tomonga harakatlanayotgan elektronlar uchun potensial to’siq balandligi o’zgarmaydi deb hisoblasa bo’ladi. Binobarin, bu metalldan yarimo’tkazgichga elektronlar oqimi ilgarigiday (muvozanat holatdagiday) qoladi. Ammo, yarimo’tkazgichda metall tomonga yo’nalgan elektronlar oqimi esa potensial to’siq balandligi ga muhim darajada bog’liq. To’g’ri kuchlanish berilganda (manbaning musbat qutbi metallga, manfiy qutbi yarimo’tkazgichga ulanganda) tashqi manba hosil qilgan maydon kontaktning ichki kontakt maydoniga qarshi yo’nalgan bo’ladi va natijaviy maydon kichrayadi, binobarin potensial to’siq pasayadi, kontakt yaqinida elektronlar konsentratsiyasi oshadi, elektronning metall tomonga oqimi ortadi, bu esa, metalldan yarimo’tkazgich tomonga to’g’ri tok o’tadi deganidir. Kontaktning diod VAX i
.
Kontaktga teskari (yopuvchi yo’nalishda) kuchlanish berilganda (metallga manfiy, yarimo’tkazgichga musbat qutb ulanganda) tashqi maydon kontakt maydoni bilan birday yo’nalgan bo’ladi va natijaviy maydon kattalashadi, potensial to’siq ko’tariladi, metalldan yarimo’tkazgich tomonga elektronlar oqimi o’zgarmas qolgani holda qarshi oqim kamayadi.
Teskari tok (VAX) ifodasi yuqoridagi ifodada ni ga almashtirish orqali hosil qilinad:
.
Metall – yarimo’tkazgich kontaktining to’g’rilash Davidov – Shokli diffuzion nazariyasida asosiy zaryad tashuvchilar kamayib ketgan yopuvchi qatlam orqali ularning diffuzion harakati hisobga olinadi, chunki yopuvchi qatlam qalinligi katta, yani bo’lganda ( - erkin yugurish yo’li) elektronlar bu qatlamdan o’tguncha ko’p marta to’qnashishga duch keladi. Bu nazariyadan quyidagi VAX kelib chiqadi:
, (8.29)
bu yerda - yarimo’tkazgich hajmidagi solishtirma o’tkazuvchanlik, - elektronlarning nomuvozant holatdagi konsentratsiyasi. (8.29) dan ko’rinishicha, yopuvchi yo’nalishdagi kuchlanish ortishi bilan tok tez kamayib, o’zining chegaraviy qiymatiga intiladi:
. (8.30)
ning tarkibiga kirgani uchun to’yinmaydi, balki qonun bo’yicha o’sib boradi.
Metall – yarimo’tkazgich kontaktlashuvining Bete diod nazariyasida yopuvchi qatlam yupqa, ya’ni . Shuning uchun ham bu qatlamdan o’tayotgan elektron deyarli hech to’qnashmasdan uchib o’tadi, deb hisoblanadi. Bu nazariya quyidagi metall – yarimo’tkazgich kontakti VAX ini beradi:
; (8.31)
bu yerda - elektronlar issiqlik harakatining o’rtacha tezligi, - yarimo’tkazgich bilan metall chegarasidagi elektronlarning muvozanat holatdagi konsentratsiyasi. Yopuvchi yo’nalishda kontaktga tashqi kuchlanish berilganda elektronlar oqimi tezda o’zining doimiy qiymatiga erishadi:
. (8.32)
Endi metall – yarimo’tkazgich kontaktlashuvida vujudga keladigan fotoeffekt hodisasini ko’rib chiqaylik. To’siq balandligi quyosh elementlarida salt yurish kuchlanishi qiymatini aniqlaydi. Agar ajralish sirtining xossalari ga ta'sir qilmasa, uning qiymatini bevosita (8.27) munosabat yordamida topiladi. Biroq to’siq balandligining tajribadan aniqlangan qiymatlari (8.27) munosabatdan olinganidan kichik. Agar ning qiymati kovalent bog’lanishli yarimo’tkazgichlar (Ge, Si) va Mendeleev davriy sistemasining ko’pchilik III – V gruppa birikmalari (A3B5) bilan birgalikda kontakt hosil qilgan metall turiga deyarli bog’liq emas. Bu xususiyat yarimo’tkazgichga metall qatlamlar o’tkazilganda Fermi sathining o’zgarmasligini aks ettiradi. Fermi sathi vaziyatining o’zgarmasligi yarimo’tkazgich sirtida sirt holatlar borligi sababidandir hamda uning metall bilan kontaktlashishi faqat ikkinchi tartibdagi hodisalarni yuzaga keltiradi, degan fikr mavjud. To’siqning balandligi ni ajralish chegarasidagi jami zaryad, dipolar hamda metall va yarimo’tkazgichning chiqish ishi belgilaydi.
Balandligi bo'lgan to'siq uchun ajralish chegarasidagi (elektronlar uchun) holatlar yarimo’tkazgich sirti bo’ylab tekis taqsimlangan va metall bilan yarimo’tkazgich bir – biridan juda yupqa dielektrik qatlam bilan ajratilgan, deb hisoblanadigan sodda model yordamida quyidagi ifoda olingan:
, (8.33)
bu yerda ; , - oraliq dielektrik qatlamning dielektrik singdiruvchanligi va qatlamning qalinligi, metall bilan kontakt yo’q bo’lgan hol uchun Fermi sathining valent zona chetiga nisbatan vaziyati, - ajralish chegarasidagi holatlar zichligi . ni odatda e’tiborga olmaslik mumkin. Agar metall - tipli yarimo’tkazgich strukturasida bo'lsa, bo'ladi. U holda,
. (8.34)
Mazkur holda Fermi sathini sirt holatlari aniqlaydi va to’siq balandligi metallning turiga bog’liq emas, balki ajralish chegarasi xossalariga tamomila bog’liq. Bu holni Bardin chegarasi deyiladi. Agar bo'lsa, u holda va (8.33) ifoda (8.27) ifodaga aylanadi. Bu holni Shokli chegarasi deyiladi.
Tajribalarning ko’rsatishicha kovalent yarimo’tkazgichlar uchun Fermi sathining o’zgarmas vaziyati energiyaga mos keladi. Shottki to’siqli diodlarda (kambag’allashgan metall – yarimo’tkazgich kontaktlarda ) eng kamida qandaydir oksidning bir necha atomlar qatlami ( nm) mavjud bo’ladi. Bu oksid qatlam asbob tayyorlaguncha yoki uni tayyorlash jarayonida yuzaga kelgan bo’ladi va foto EYUK ni ancha oshirishi mumkin.
Dielektrik (oksid) qatlam quyidagi hodisalar sababchisi bo’ladi:
1. Metall va yarimo’tkazgich orasida passiv dielektrik tirqish hosil bo’ladi.
2. Zaryad tashuvchilarning dielektrik qatlam orqali tunnellashishi jarayoni ularning ko’chishini cheklaydi, oqibatda kuchlanishning muayyan qiymatiga kichikroq tok mos keladi.
3. Kuchlanishning bir qismi dielektrik qatlamga tushgani sababli potensial balandligi o’zgaradi, bu esa diod koeffitsiyenti ning qiymatlari birdan katta bo’lishiga olib keladi.
4. Potensial to’siqning effektiv balandligi dielektrik qatlam ichidagi yoki dielektrik – yarimo’tkazgich chegaradagi zaryadlar ta’sirida, shu zaryadning ishorasiga bog’liq ravishda ortadi yoki kamayadi.
Dielektrik qatlami bo’lmagan Shottki to’siqli strukturalarda qorong’ulikdagi diod tokini aniqlovchi, to’siq ustidan o’tayotgan asosiy zaryad tashuvchilarning termoemissiyasi mavjud bo’ladi. Bundan tashqari asosiy zaryad tashuvchilarning to’siqning yuqorigi qismi orqali tunnellashishi bilan bog’liq bo’lgan kuchsiz effektlar (hodisalar), shuningdek, kambag’allashgan qatlamda esa rekombinatsiya ham kuzatiladi (bu rekombinatsiyani ko’pgina quyosh elementlarida e’tiborga olmaslik mumkin). Bundan tashqari, injeksiyalanayotgan asosiy bo’lmagan zaryad tashuvchilar oqimi ham mavjud bo’ladi.
Metall – dielektrik – yarimo’tkazgich (MDYa) strukturalarda qorong’ulikdagi tok zichligi to’rtta tashkil etuvchidan iborat:
. (8.35)
8.5 – rasm. tip kremniy asosidagi MDYa strukturasida tokning har xil tashkil etuvchilarning yo’nalishi sxemasi
Ular termoelektron emissiya ( ), kambag’allashgan qatlamdagi rekombinatsion – generatsion jarayonlar ( ) , kvazineytral sohadagi zaryad tashuvchilar injeksiyasi va diffuziyasi ( ), ularning dielektrik yarimo’tkazgich chegarasidagi rekombinatsiya bilan bog’liqdir (8.5-rasm).
Yorug’lik tushurilganda hajmiy zaryad sohasida va unda yondoshgan kvazineytral sohada vujudga keladigan zaryad tashuvchilar dielektrik qatlam orqali tunnellashishi kerak, qatlamning qalinligi nm dan ortiq bo'lmaganda yig’ish koeffitsiyentining katta bo’lishiga erishish mumkin.
Struktura yoritilganda kuchlanish vujudga keladi, uning qismi dielektrik qatlamga mos keladi. Bu holda yoritilayotgan asbob orqali to’la tok zichligi quyidagi ifodaga egadir:
. (8.36)
Bu ifodadagi birinchi tashkil etuvchi asosiy zaryad tashuvchilar ko’chishining termoemission mexanizmi bilan bog’liq bo’lib, unda dielektrik qatlam orqali tunnellashish ehtimolligi hisobga olingan; ikkinchi tashkil etuvchi esa asosiy bo’lmagan zaryad tashuvchilar tokidan iborat bo’lib, bunda dielektrik qatlam orqali tunnellashish hisobga olingan; uchinchisi - fototok zichligidan iborat bo’lib. kuchlanish dielektrik qatlam xossalariga, shu qatlamdagi zaryadga, sirt zaryadiga, dipolar xarakteristikasiga, shuningdek yarimo’tkazgichning xossalariga bog’liq bo’ladi (8.5-rasm).
Agar yarimo’tkazgichning kuchlanishi ; ko’rinishda ifodalasak,
; (8.37)
bu yerda - diod koeffitsiyenti.
Maydon taqsimlanishi hodisasi , to'yinish toklariga kuchsiz ta’sir qiladi, ammo u koeffitsiyentning kuchlanishga bog’lanishiga va uning qiymati birdan katta bo’lishiga olib keladi. fototok ifodasi o’tishli strukturalardagidek aniqlanadi.
Statsionar holatda bir o’lchovli uzluksizlik tenglamasi hamda Puasson tenglamasi sistemasi
(8.38)
ni
, ; (8.39)
, ; (8.40)
chegaraviy shartlardan foydalangan holda yechib, kambag’allashgan sohadagi nomuvozanat holatdagi elektronlar va kovaklar konsentratsiyasini aniqlaymiz: soddalik uchun deb olamiz. Hajmiy zaryad tashqarisida – baza sohasida ( ) uzluksizlik tenglamasi statsionar holatdagi tenglamaga o’tadi. Bazaning qalinligi yetarlicha katta ( ) bo’lganda bo’ladi. Yuqoridagi tenglamalarni tegishli chegaraviy shartlar yordamida yechish natijalari VAX ning yorug’likdagi ifodasini va fototok zichligini hisoblab topish imkonini beradi:
, (8.41)
bu yerda - xususiy yutilish sohasidagi generatsiya tezligi. (8.41) dagi birinchi had kambag’allashgan sohada zaryadlar to’la yig’ilishiga mos keladi. Ikkinchisi bazadan qisman yig’ilishni ifoda qiladi va u eksponensial qonun bo’yicha kamayadi. Uchinchi had (manfiy ishora bilan) kambag’allashgan sohadan to’la bo’lmagan yig’ilishni ifodalaydi; u kontakt yaqinida yorug’lik vujudga keltirgan elektronlarning metall ichiga ketib qolishi bilan bog’liqdir.
Oksid qatlam bo’lmagan holda to’yinish toki zichligi:
; (8.42)
bunda - Debay ekranlash uzunligi; - hajmiy zaryad sohasi qalinligi; - yoritilgan fotoelement chiqishidagi kuchlanish.
Shottki to’siqli strukturalarda fototok ikki hodisa (effekt) ga bog’liq; bular – yarimo’tkazgichda xususiy yutilish va metalldan yarimo’tkazgich tomonga fotoemissiyadir.
8.6 – rasm. MDYa strukturali quyosh elementining energetik zonalar diagrammasi:
- metall sirtidagi to’la zaryad zichligi; - dielektrik qatlamdagi hajmiy zaryad zichligi; - sirtiy holatlardagi zaryad zichligi; siljish (kuchlanish) bo’lmagandagi dielektrikda potensial tushishi; - dielektrik qatlamga tushgan kuchlanish; - yarimo’tkazgichga tushgan kuchlanish.
Xususiy fotoeffektning uzun to’lqinli chegarasini yarimo’tkazgichning taqiqlangan zonasi kengligi belgilaydi, metalldan fotoemissiya uchun uzun to’lqinli chegarani esa dan kichik bo’lgan, metall tomondagi yarimo’tkazgich chegarasining potensial to’sig’i balandligi aniqlaydi (8.6-rasm).
Shottki to’siqli strukturalar Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirishda va yorug’lik oqimi datchiklari sifatida ishlatilishi mumkin. Bu strukturalar asosidagi fotoqabulqilgichlar kichik tiklanish vaqtiga egadir va tez navbatlashuvchi yorug’lik impulslarini qayd qilish uchun qo’llanilishi mumkin.
|
| |
