Способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

89O83l

Сопиапистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву—

Ф (22) Заявлено 28.08.80 (21) 2980517/18-25 (51) М.Кл.з С 01 J 5/50 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.04.82. Бюллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 30.04.82

Госудирстиеиимй комитет

СССР по леша нзобретеиий н открытий (53) УДК 535.215 (088.8) 72) Авторы (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧ ЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ MATEPHAJIOB

Изобретение относится к области технической физики, а именно к способам определения электрофизических параметров проводников и полупроводников — коэффициента теплообмена электронной и фононной подсистем, подвижности носителей заряда и т. п. и может быть использовано как для определения вышеназванных параметров, так и при измерении длительности пикосекундных (10 —" с) импульсов оптического излучения в ИК-диапазоне и для визуализации и регистрации распределения плотности мощности ИК-излучения коротких (нано- и пикосекундных) импульсов когерентного излучения.

Известен способ определения электрофизических параметров полупроводников, основанный на нагреве электронной подсистемы выше температуры реШетки сильными электрическими полями и регистрации горячих электронов (Ц.

К недостаткам данного способа относится наличие низкоомного контакта с образцом и низкая точность измерения (погрешность до 1000 ). Кроме того измерение электрофиз ических параметров металлов этим способом невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему способу является способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов, основанный на нагреве электронной подсис-. темы отдельно от ионной подсистемы коротким электрическим импульсом и регистрации параметров горячих электронов (2).

Недостатком данного способа является необходимость электрического контакта с материалом при задании импульса и измерении электрофизическнх параметров кон-. тактным методом, путем определения экспериментальных зависимостей от температуры и приложенного поля различных ки-. нематических коэффициентов (проводимости, магнитосопротивления и т. п.). Кроме того, измерение электрофизическнх па-. раметров в металлах данным способом невозможно, так как из-за высокой концентрации электронов увеличение вводимой мощности тока может вызвать расплавление решетки раньше, чем будет достигнута необходимая для разогрева электронов м ощн ость.

Цель изобретения — расширение облас25 ти применимости способа.

Это достигается тем, что нагрев электронной подсистемы осуществляют зондирующим импульсом оптического излучения, длительность которого выбирают нз следующих соотношений..

890831

C ) ) Ce а а

С,Т, а (Те То) 55 б9

Cl ) ) Cе (C To а а a(Te — To) где т — длительность зондирующего импульса;

С; — теплоемкость решетки; а — коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем;

С, — электронная теплоемкость;

Те — электронная температура;

Tp — начальная температура решетки, и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинах волн, отличных от длины волны зондирующего излучения.

На рисунке приведена схема устройства, реализующего способ определения электрофизических параметров электропроводящпх материалов.

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения (лазер), оптический затвор 2, оптическую формирующую систему 3, исследуемый материал (образец) 4, установленные по ходу излучения источника 1, объектив 5, фильтр 6, электронно-оптический регистратор (фотохронограф) 7 и регистрирующую среду 8, установленные по ходу излучения материала 4.

Источник 1 когерентного излучения и электронно-оптический регистратор 7 связаны цепью синхронизации.

Способ определения электрофизических параметров: коэффициента теплообмена электронной и фононной подсистем (а), частоты столкновения электронов с фононами, подвижности носителей зарядов, константы связи электронной и фононной подсистем, времени релаксации электронных уровней в полупроводниках и т. д., электропроводящих материалов — металлов и полупроводников, основан на нагреве электронной подсистемы материала 4 отдельно от

его ионной подсистемы и регистрации излучения горячих электронов, возникающих при этом нагреве.

На источник 1 когерентного излучения подают импульс синхронизации и с помощью оптического затвора 2 формируют импульс оптического излучения. Через оптическую формирующую систему 3 импульс оптического излучения подают на исследуемый материал (образец) 4. Возникающее при этом свечение в оптическом диапазоне подают через объектив 5, оптический фильтр 6 на вход электронно-оптического регистратора (фотохронограф) 7 и с его выхода оптический сигнал регистрируют на регистрирующей среде (фотопленке) 8.

Длительность зондирующего импульса оптического излучения, формируемого источником 1 когерентного излучения, с оптическим затвором 2 выбирают из следующих соотношений:

З0

50 где т, а, С;, C„T, и Т, имеют указанные значения.

Регистрацию излучения горячих электронов, параметры которых определяют электрофизические параметры материала, производят в оптическом диапазоне путем измерения оптических характеристик (спектрального состава) свечения материала 4 в месте падения зондирующего импульса излучения..

Развертку фотохронографа 7 запускают цепью синхронизации одновременно с началом генерации источника 1. Полученную на экране электронно-оптического регистратора (ЭОПа) картину свечения развертывают во времени и фиксируют на регистрирующей среде 8 (фотопленке) . Таким образом, фиксируют и измеряют оптические спектральные характеристики пмпульса видимого излучения — свечения поверхности материала 4 под действием зондирующего импульса. Фильтр 6 выбирают не пропускающим длину волны источника зондирующего излучения.

Использование данного способа позволяет, кроме определения электрофизических характеристик электропроводящих материалов, измерять длительность импульсов ИК-излучения (т -- 10 8 +

+10 — "- с), определять форму импульсов и производить визуализацию сечения пучка

ИК-излучения в зоне падения его на исследуемый материал 4. Для увеличения стабильности и точности измерений целесообразно помещать материал в вакуумную камеру, снабженную входным и выходным окном.

Регистрацию излучения горячих электронов производят в оптическом диапазоне на длинах волн (Х вЂ” Х ), отличных от длины волны зондирующего излучения Хз (Хз не принадлежит множеству длин волн Ki — X>).

Коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем, частоты столкновений, эффективная концентрация электронов, их подвижность и другие электрофизические параметры связаны базовым соотношением (3):

- m eS -.

),—

6-,Т, где т — масса электрона; и — концентрация;

S — скорость звука; т, — время столкновения электронов;

То — температура решетки.

Проведенные авторами исследования выявили безынерционность свечения при соблюдении условий

С,),.) С, и -<. а а а(Т,— Т) 890831 до времен меньших 10-" с. Спектр свечения сплошной в соответствии с законом, Планка, интенсивность свечения однозначно (нелинейно) зависит от мощности импульса зондирующего излучения. Поэтому это свечение может быть использовано как для измерения длительности и формы коротких до 10 2 с импульсов, так и для визуализации импульсов ИК-излучения. Исследования (в диапазоне 0,63 — 10,6 мкм) также показали, что безынерционное свечение (его интенсивность и спектральный состав) спектрально-неселективны отосительно длины волны зондирующего излучения.

Таким образом, данный способ может быть использован для спектрально-неселективного преобразователя ИК-излучения в видимое для оценки пространственно-временного распределения плотности мощности коротких до 10 о — 10 — "с импульсов ИК-излучения.

В качестве источника зондирующего излучения использован неодимовый лазер с самосинхронизацией мод, Х = 1,06 мкм„ т = 20 пс, мощность импульса Q =

= 10о Вт/см . Формирование ультракороткого импульса (т = 10 —" с) осуществлялось пассивным затвором на красителе _#_ 3955 в нитробензоле.

Измерение длительности и формы импульса лазера производилось фотохронографом типа «Агат» с временным разрешением 1 пс.

Излучение лазера фокусировалось на поверхности металла (полупроводника).

Свечение электронной подсистемы (горячих электронов) переносилось с помощью оптической системы на вход ЭОПа «Агат».

Регистрация с выходного окна «Агата» производилась фоторегистрацией на фотопленке.

Длительность и форма импульса лазера совпадала с длительностью и формой импульса свечения (температура) с учетом излучения поверхности по закону Планка.

Был определен коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем я.

1, д Q (3)/dt

Т,(t) — Т, где d — толщина пленки металла;

Я ® — мощность зондирующего излучения (измерения в эксперименте);

Т,Я вЂ” электронная температура (измерения в эксперименте);

То — начальная температура металла (измерения в эксперименте) .

Аналогично определяются н другие папаметры (см. (3)).

В экспериментах получены следующие значения электрофизических параметров, Дж с-1 к — cM — :

В эксперименте По табличным данным аАд 6 10 o 20o/î 10 " < а (10 асо 4. 10 о -20о/о 10 о < а < 10 1.

В известном способе определение электрофизических параметров (например а) производилось с точностью до порядка величины (погрешность 10,00 /о), к таким же погрешностям приводят и теоретические исследования (3)

В настоящем способе методическая погрешность зависит от точности соблюдения

С; С, С, условия — ) ) —, так при -- ) а а 3 а

i15

3 (, погрешность составляет менее а

5 /о от измеряемой величины. В реальных измерениях с учетом реальных приборных

20 погрешностей погрешность достигает 20—

30 /,.

Формула изобретения

Способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов, основанный на нагреве электронной подсистемы отдельно от ионной подсистемы и регистрации. параметров горячих элект30 ронов, отличающийся тем, что, сцелью расширения области применимости способа, нагрев электронной подсистемы осуществляют зондирующим импульсом оптического излучения, длительность которого выбирают из следующих соотношений: а а а(҄— То) где т — длительность зондирующего импульса;

С; — теплоемкость решетки; а — коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем;

45 С, — электронная теплоемкость;

Т, — электронная температура;

T> — начальная температура решетки, и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинах

Ы волн, отличных от длины волны зондирующего излучения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Конуэлл Э. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях. М., «Мир», 1970, с, 21.

2. Ненакаливаемые катоды. Под ред, 50 М. И. Елинсон, М., «Сов. радио», 1974, с. 47 (прототип).

3. Гинзбург В.Л., Шабанский В. П. Кинетическая температура электронов в металлах и аномальная электронная эмиссия. ДАН СССР, т. 100, № 3, 1955, с. 52.

Редактор Л Письман

Составитель Л. Латыев

Техред И. Заболотиова

Корректор С. Файн

Заказ 363/270 Изд. № 127 Тираж 883 Подписное.

til l0 «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытии

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Тип. Харык. фчл. пред «Пате -,»