Физическое описание фотоэлектромагнитного эффекта

Фотоэлектромагнитный эффект, на­зываемый также фотомагнитоэлектрическим, фотогальваномагнитным эффектом и эффектом Кикоина — Носкова открыт в 1934 г. Кикоиным и Носковым и объяснен тогда же Френкелем. Около 20 лет спустя выяснилось, что измерение ФМЭ и связанных с ним эффектов является очень удобным методом определения времени жизни и других парамет­ров неосновных носителей заряда в полупроводниках. Эти параметры полупроводниковых материалов играют первостепенную роль в полупроводниковой элек­тронике. В России и за рубежом начались ши­рокие и интенсивные исследования фотомагнитного эффекта и возможностей его использования. Была построена подробная теория эффекта, измерен эффект в германии, кремнии, антимониде индия и многих других материалах, разработана методика определения рекомбинационных постоянных, на основе фотомагнитного эф­фекта созданы приемники инфракрасного излучения и магнитометры.

Если полупроводник освещается излучением с энер­гией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны, то под действием излучения электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, т. е. генерируются электроннодырочные пары. Генерация пар свободных носителей заряда путем внешнего воздействия на полупроводник называется биполярным возбужде­нием. При меньшей энергии фотона может наблюдаться генерация носителей одного знака как основных, так и неосновных, с примесных центров (монополярное воз­буждение). Генерируемые светом избыточные носи­тели вместе с равновес­ными участвуют в элек­тропроводности, могут диффундировать от одной точки образца к другой. Встречаясь друг с другом или с примесными цент­рами, избыточные носите­ли могут уничтожаться, рекомбинировать. Пове­дение избыточных носи­телей описывается таки­ми параметрами, как вре­мя жизни, диффузионная длина, скорость поверх­ностной рекомбинации и т. д. Эти параметры су­щественным образом опре­деляют работу таких широко распространенных полупро­водниковых приборов, как транзистор, диод, фотоэлемент и др. При этом оказывается, что действие этих приборов обусловлено избыточными неосновными носи­телями заряда, поэтому измерение параметров неоснов­ных носителей заряда является необходимым этапом в исследовании материалов, предназначенных для изго­товления приборов, а также в контроле качества этих материалов в процессе производства. Решить эту важ­ную задачу помогает фотоэлектромагнитный эффект.

Рис. 1 Возникновение фотоэлектромагнитного эффекта в полупроводниковой пластине, где Н – напряженность магнитного поля, l – длина пластины, d – ее толщина, x₁ и x₂  - оси координат.

Фотоэлектромагнитный эффект состоит в появлении фото э. д. с. или фототока в освещенной полупроводниковой пластинке, помещенной в магнитное поле, параллельное ее поверхности. Фотоэлектромагнитная э. д. с. наблюдается в на­правлении, перпендикулярном лучу света и магнитному полю. Эффект объясняется следующим образом.

Пусть свет падает на поверхность пластинки, перпендикулярную оси х₂ (рис.1). Вблизи освещенной поверхности образуется избыток электронов и дырок относительно их равновесных концентраций при данной температуре. Носители заряда диффундируют в глубь образца со скоростями, величины которых, определяются коэффициентами диффузии электронов и дырок. Если коэффициенты диффузии электронов и дырок, пропорциональные подвижностям, не равны друг другу, то по мере приближения к темновой поверхности избыточная концентрация более быстрых носителей заряда превышает избыточную концентрацию более медленных, что вызы­вает появление электрического поля, направленного пер­пендикулярно плоскости пластинки. Это электрическое поле замедляет проникновение в глубь образца более быстрых носителей заряда и ускоряет движение более медленных носителей заряда. В стационарном режиме равные потоки электронов и дырок, перпендикулярные к поверхности пластинки, не создают электрического тока.

Магнитное поле, направленное перпендикулярно по­токам носителей заряда, отклоняет диффундирующие электроны и дырки в противоположные стороны, в ре­зультате чего их токи в направлении x₁ складываются, образуя суммарный ток, плотность которого затухает по мере удаления от освещенной поверхности вследствие рекомбинации избыточных носителей заряда. Если кон­цы образца замкнуть накоротко, то во внешней цепи по­течет ток короткого замыкания фотомагнитного эффекта. В условиях короткого замыкания ток в каждой точке образца направлен в одну и ту же сторону, причем основная часть тока течет вблизи освещенной поверхно­сти в слое толщиной, равной диффузионной длине.

Если контакты разомкнуты, то на концах образца на­капливаются электрические заряды, что вызывает появ­ление электрического поля, направленного вдоль образ­ца. Это электрическое поле создает в образце ток, урав­новешивающий ток короткого замыкания. фотомагнит­ного эффекта.Поэтому возбужденный этим электри­ческим полем ток распределяется равномерно по глуби­не образца. Вблизи освещенной поверхности плотность тока, вызванного электрическим полем, по абсолютной величине меньше плотности фотомагнитного тока, вбли­зи темновой поверхности — превышает ее. В результате в образце возникает циркулирующий ток, показанный на рис. 1 пунктиром. Циркулирующий ток был экспериментально обнаружен с помощью фотомагнитомеханического эффекта, состоящего в появлении момента сил, действующих на полупроводник в магнит­ном поле.

Разность потенциалов, наблюдаемая между концами образца при разомкнутой внешней цепи, называется на­пряжением разомкнутой цепи фотомагнитного эффекта, или фотомагнитной э. д. с.