3. Измерительная схема
Измерение фотоэлектрических спектров производится на автоматизированной экспериментальной установке, блок-схема которой показана на рис. 6. Источником монохроматического излучения служит светосильный монохроматор SpectraPro-500i или МДР-2 (на другой установке) с дифракционной решеткой 600 или 300 штрихов/мм. В качестве источника излучения используется галогеновая лампа, питаемая от стабилизированного источника тока. Излучение на выходе монохроматора модулируется дисковым модулятором с частотой ~ 100 Гц. Интенсивность падающего на образец излучения можно изменять при помощи калиброванных металлических сеток. Относительное распределение интенсивности излучения на выходе монохроматора  , необходимое для определения фоточувствительности, определено с помощью калиброванных Ge, InGaAs и PbS фотодиодов. Регистрация сигнала проводится по стандартной селективной схеме с синхронным детектированием с использованием опорного сигнала от оптопары. Схема синхронного детектирования применяется для повышения отношения сигнал/шум. После первичной обработки сигнала в компьютере, которая заключается в делении его на интенсивность падающего излучения при заданном значении  , на монитор выводится спектр фоточувствительности
 ,
|
(10)
| где  – величина измеряемого фотосигнала (фототок, фотоЭДС), – интенсивность освещения в произвольных единицах.
Рис. 6. Блок схема экспериментальной установки для измерений фотоэлектрических спектров
Для того чтобы форма спектра  не зависела от распределения энергии в спектре источника излучения, а определялась только свойствами исследуемого материала, необходимо, чтобы фотосигнал от исследуемой структуры линейно зависел от интенсивности освещения . Это условие реализуется в режимах измерения фототока и малосигнальной фотоэдс [3]. В работе спектры фоточувствительности измеряются в режиме фототока (сопротивление нагрузки Rн << Rобр, где Rобр – сопротивление образца), который также позволяет изменять напряженность электрического поля в окрестности слоя КТ путем подачи на барьер Шоттки прямого или обратного смещения.
Для измерений температурной зависимости фотоэлектрических спектров образец, закрепленный на металлическом держателе, помещается в кварцевый сосуд Дьюара с жидким азотом. Нижняя часть держателя находится в жидком азоте, а верхняя – нагревается нихромовой спиралью, через которую пропускается электрический ток. Температура образца может изменяться в диапазоне 77 – 350 К. Для ее измерения используется термопара, помещенная рядом с образцом.
4. Анализ результатов измерений
В случае если доминирует туннельный механизм эмиссии электронов из КТ (этот случай обычно реализуется при низких температурах),  . В этом случае, подставляя (6) в (1), имеем:
 .
|
(11)
|
Прологарифмировав (11), получаем
 .
|
(12)
|
Таким образом, зависимость ln(1/ – 1) от 1/F (12) является линейной функцией вида y = b0 + b1x, где
Построив зависимость ln(1/ – 1) от 1/F и определив методом наименьших квадратов коэффициенты b0 и b1, можно определить  и Еb по формулам:
 ,
|
(14)
|
 .
|
(15)
|
Для определения зависимости (F) из зависимости S(Ub) необходимо, чтобы последняя испытывала насыщение при увеличении Ub, что соответствует случаю 100% туннельной эмиссии электронов из КТ ( 1), и стремилась к значению Ssat. В этом случае можно положить
 .
|
(16)
|
Напряжённость электрического поля в окрестности КТ можно определить по формуле Шоттки:
 ,
|
(17)
|
где  – электрическая постоянная,  – диэлектрическая проницаемость материала полупроводниковой матрицы (GaAs),  – ширина области пространственного заряда в GaAs,  – высота барьера.
В случае если доминирует термоактивационный механизм эмиссии электронов из КТ (этот случай обычно реализуется при повышенных температурах и Ub = 0),  . В этом случае, подставляя (2) и (3) в (1), имеем:
 .
|
(18)
|
Логарифмируя (16), получаем
 .
|
(19)
|
Таким образом, зависимость ln(1/ – 1)Т2 от 1/Т (19) является линейной функцией вида y = а0 + а1x, где
Построив зависимость ln(1/ – 1)Т2 от 1/Т и определив методом наименьших квадратов коэффициенты а0 и а1, можно определить  и Еа по формулам:
 ,
|
(22)
|
 ,
|
(23)
|
используя значение , полученное из полевой зависимости фоточувствительности КТ по формуле (15).
Для определения температурной зависимости из температурной зависимости фоточувствительности необходимо, чтобы последняя испытывала насыщение при увеличении температуры, что соответствует случаю 100% термической эмиссии электронов из КТ ( 1). В этом случае можно положить
 ,
|
(24)
|
где Ssat – значение насыщения зависимости S(Т).
5. Задание
1. Измерить полевую (при 77 К) и температурную (при напряжении обратного смещения Ub = 0) зависимости фототока барьера Шоттки к гетероструктуре с КТ InAs/GaAs(001) в спектральной области межзонного оптического поглощения КТ.
2. Провести математическую обработку результатов измерений. Построить серию спектров фоточувствительности (77 К) при различных значениях Ub и серию спектров фоточувствительности (Ub = 0) при различных температурах. Из полученных данных, построить графики зависимостей (Ub) при 77 K в спрямляющих координатах ln(1/ – 1) от 1/F и (Т) при Ub = 0 в спрямляющих координатах ln(1/ – 1)Т2 от 1/Т для основного перехода и первого перехода между возбуждёнными состояниями в КТ. Методом наименьших квадратов определить параметры линейной регрессии a0, a1, b0 и b1.
4. Из данных регрессионного анализа определить параметры Ea, Eb, n и r. Сравнить полученные данные с литературными. Сформулировать выводы о доминирующих механизмах эмиссии электронов из КТ при различных условиях (напряжение обратного смещения, температура).
6. Порядок выполнения работы
1. Собрать измерительную ячейку. Для этого установить образец в держатель, соединить омический и выпрямляющий контакты на образце с пружинными электродами ячейки.
2. Установить держатель образца в сосуд Дьюара. Заполнить сосуд Дьюара жидким азотом до уровня окна в сосуде Дьюара. Дождаться установления температуры образца 77 К, контролируя температуру образца при помощи цифрового термопарного термометра.
3. Включить питание лампы накаливания и модулятор. Установить длину волны излучения, выходящего из выходной щели монохроматора, = (800 5) нм, соответствующей области собственного поглощения GaAs (77 К). Добиться максимальной величины фотоэлектрического сигнала, фокусируя выходящее из монохроматора излучение на образец.
4. Измерить серию спектров фототока барьера Шоттки гетероструктуры c КТ InAs/GaAs при 77 К в спектральной области межзонного поглощения КТ InAs ( = 0,8 ÷ 1,5 мкм) при различных значениях напряжения обратного смещения на барьере Шоттки Ub.
5. Включить нагревательный элемент держателя образца. В процессе увеличения температуры образца от 77 до 350 К измерить серию спектров фототока короткого замыкания барьера Шоттки гетероструктуры c КТ InAs/GaAs при Ub = 0 в спектральной области межзонного поглощения КТ InAs ( = 0,8 ÷ 1,5 мкм).
7. Методические указания
1. Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с инструкцией по эксплуатации экспериментальной установки, включая инструкцию пользователя программного обеспечения для управления экспериментальной установкой.
2. При измерении полевой зависимости спектров фоточувствительности следует увеличивать Ub до насыщения фоточувствительности в спектральной области собственного межзонного поглощения КТ. При этом следует повышать Ub выше 90% значения напряжения лавинного пробоя барьера Шоттки. Количество значащих точек на полевой зависимости фоточувствительности должно быть не менее 7 ÷ 10.
3. При измерении температурной зависимости спектров фоточувствительности интервал температур между измерениями спектров следует выбирать равным 20 ÷ 30 К.
8. Требования техники безопасности
1. Эксплуатацию экспериментальной установки проводить в соответствии с ПТЭ и ПТБ при эксплуатации электроустановок потребителей с напряжением до 1000 В (утв. Госэнергонадзором 31 марта 1992 г.).
2. К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по ПТЭ и ПТБ электроустановок потребителей с напряжением до 1000 В.
3. К работе с жидким азотом и сосудами Дьюара студенты, выполняющие лабораторный практикум, не допускаются. Заполнение сосуда Дьюара жидким азотом производит учебно-вспомогательный персонал лаборатории, прошедший обучение и инструктаж по технике безопасности по использовании криогенных жидкостей и криогенного оборудования. |
, 
,
, 
.
, 
,
, 
.
