Способ определения электрофизических параметров электропроводящих материалов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских(45) Дата опубликования описания 30.04,82 Государствеиимй комитет СССР по дешв нзобретеиий н открытий) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОфИЗИЧЕСКИ РАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛО 10 ирение обла Цель изобретения - расти применимости способа.Это достигается тем, чтронной подсистемы осущерующим импульсом оптичесдлительность которого выдующих соотношений ие 25ов о нагрев элект ствляют зонди кого излучения бирают нз слеИзобретение 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 электро- физических 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 измерен электрофиз ических параметров металл 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 121.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.с) й) еа а 55 б 9 С 1 ) ) С, ( С Т,а а а(Те - То) где т - длительность зондирующего импульса;С; - теплоемкость решетки;а - коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем;С, - электронная теплоемкость;Т, - электронная температура;Та - начальная температура решетки,и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинахволн, 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 фоно- нами, подвижности носителей зарядов, константы связи электронной и фононной подсистем, времени релаксации электронных уровней в полупроводниках и т, д., электро- проводящих 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; 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 где т, а, С;, СТ, и То 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 излученияРазвертку 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 -+ +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, - Хй), отличных от длины волны зондирующего излучения Хй (Хй не принадлежит множеству длин волн Х 1 - Хй).Коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем, частоты столкновений, эффективная концентрация электронов, их подвижность и другие электрофизические параметры связаны базовым соотношением 31:), - "6-,Т,где т - масса электрона;и - концентрация;5 - скорость звука;т, - время столкновения электронов;Т, - температура решетки,Проведенные авторами исследованиявыявили безынерционность свечения присоблюдении условий С, ) , ) С,. (, С, Т а а а(Т - Т )до времен меньших 10-1 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 - д 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 8 - 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 Я = =108 Вт/см, Формирование ультракороткого импульса (т = 10 - " с) осуществлялось пассивным затвором на красителе Л% 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 Я (1)/д 1Т, - Тогде й - толщина пленки металла;Я- мощность зондирующего излучения (измерения в эксперименте);Т,Я - электронная температура (измерения в эксперименте);Т, - начальная температура металла (измерения в эксперименте) . Аналогично определяются н другие папаметры (см. 31).В экспериментах получены следующие значения электрофизических параметров, Дж с -к - см - : В эксперименте По табличным данным алд 610 дй 20/о 10" ( а.( 10"; аси 410 щ+20/о 10" ( а10 д,В известном способе определениеэлектрофизических параметров (например а) производилось с точностью до порядка величины (погрешность 10,00/о), к таким же погрешностям приводят и теоретиче 1 ф ские исследования 131.В настоящем способе методическая погрешность зависит от точности соблюденияС; С, С,условия - ) ) - , так при)а а 3 а 153 ( , погрешность составляет менееа5% от измеряемой величины. В реальных измерениях с учетом реальных приборных э) погрешностей погрешность достигает 20 -30/,.Формула изобретения 25 Способ определения электрофизическихпараметров электропроводящих материалов, основанный на нагреве электронной подсистемы отдельно от ионной подсистемы и регистрации. параметров горячих элект ронов, отличающийся тем, что, сцельюрасширения области применимости способа, нагрев электронной подсистемы осуществляют зондирующим импульсом оптического излучения, длительность которого З 5 выбирают из следующих соотношений:аа(Т - То) 40 где т - длительность зондирующего импульса;С; - теплоемкость решетки;а - коэффициент теплообмена электронной и фононной подсистем;45 С, - электронная теплоемкость;Т, - электронная температура;Т, - начальная температура решетки,и регистрируют излучение горячих электронов в оптическом диапазоне на длинах5 О волн, отличных от длины волны зондирующего излучения,Источники информации, принятые во55 внимание при экспертизе:1. Конуэлл Э. Кинетические свойстваполупроводников в сильных электрическихполях. М., Мир, 1970, с, 21.2. Ненакаливаемые катоды. Под ред,60 М. И. Елинсон, М., Сов. радио, 1974, с. 47(прототип),3. Гинзбург В.Л., Шабанский В. П. Кинетическая температура электронов вметаллах и аномальная электронная эмиссия. ДАН СССР, т, 100, Мо 3, 1955, с, 52., Москва, Ж.35 Заказ 363/270Н 110 1 оиск Государе113035 Тираж 883СССР по делам изобретенийРаушская наб., д. 4/5 дписно гкрытн