Металл емес кристаллдағы оптикалық құбылыстар

Мұнда n=p деген деректі пайдаландық. L арқылы уақыт бірлігінде кристаллдың көлем бірлігінде фотон сандарын белгілейміз. Anp мүшесі электрондар және кемітіктер шоғырлары туындысына пропорционал рекомбинация жылдамдығы харекеттеледі, өйткені біздің модельде рекомбинация бимоекулярлы процесс болып саналады.

Стационарлы күй жүйесінде  , және сонда электрондар концетрациясы үшін бұл күйде алатынымыз

       (20)

Ендеше, фотоөтімділік  шамасы сәйкес процессі үшін былай  өнектеледі

     (21)

Мұндағы - электрондар қозғалғыштығы.

Егерде кристаллды жарықтандыру үшін қолданылған жарық көзін  сөндіріп тастасақ, тасушы сандар кемуі осылай өрнектеледі

       (22)

Оның шешімі осы түрге  ие

       (23)

Мұндағы n₀ – жарық сөндірілген кездегі t=0 период аралығындағы электрондар шоғыры

     (24)

Тасушылар шоғырлары  жартылай азаяды, яғни, n₀/2-ге дейін.

Сөтіп элементарлы теория уақыттағы тұрақты жарықталудың сол деңгейінде фотоөтімділікке тура пропорционал болу керектігін болжайды. Сезімтал фотоөткізгіштер уақыттағы тұрақтылығы үлкен болуы тиіс. Кадмий сульфидінен тұратын өте сезімтал фотометр уақыттағы тұрақтылығы бірнеше секунд екенің фотографтар біледі.

Сезімталдық коэффициентін немесе G күшейтілуі шмасын енгізу пайдалы, оны фотондар жұтылу сандары нұсқауларынан өтетін тасушы ток саны ретінде анықтаймыз. Егерде нұсқау көлденен жанаманың бірлік көлеміндегі қалындық d – ге ие болса, онда кернеу V бөлшектер тогын тудырады

    (25)

Ендеше күшейтілу коэффициенті немесе

     (26)

Электродтар арасынан өтетін тасушы уақыт ысыраптауында алатынымыз

     (27)

Электронның рекомбинацияға дейін өмір сүруі осы өрнекпен беріледі

       (28)

Күшейту коэффициенті G –ді осы түрге өрнектеуге болатынын көріп отырмыз

       (29)

Басқаша айтқанда күшейту  коэффициенті ток тасушылар өмір сүру уақыттарының олардың электрод арасын өтуге кеткен уақытының қатынасына тең.

Формула (29) толық және арнайы модельдерді шығару шеңберімен ғана шектелмегенің оңай көруге болады.

Қақпандар.Қақпандар болып электрондарды не кемітікті ұстап ала алатын атом қоспалары немесе кристаллдағы бір дефект болуы мүмкін, және ұстап алған ток тасушысы кейбір уақыт аралығында қақпанды тастайтындай қалып болғаның айтамыз.

Барлық кемітіктер қақпанға ұсталған, ал өткізгіш зонасында номиналды түрде тұрған электрондардың кейбірі ғана ұсталған деген модельді бізге қарастырған ыңғайлы. Біздер сондай типті модельдердің ең қарапайым түрлерін ғана қарастырамыз.

Істеу харекетіне байланысты қақпандардың екі типін айыруға  болады. Қақпандардың бір типі электрондар және кемітіктері әсерлесіп негізінде рекомбинация орталығы ролін атқарады және сөйтіп жылулық тепе-теңдікті сақтап отырады. Қақпанның басқа типі белгілі нышаны бар заряд тасушының еркін қозғалысына ықпал етеді. Осылардың соңғысы қарастырып отырған сұраққа сая түседі.

Біріншіде көлем бірлігінде N электронды қақпандар кристаллын қарастырайық. Берілген иондану энергиясына кристалл температурасы төмен және сондықтан жылулық ионизацияға негізделген ток тасушы шоғыры ескермеуге болатындай аз болады деп ұйғарайық. Рекомбинация А коэффициенті тікелей электронды-кемітік рекомбинациясы процесінеде және ұстап алу рекомбинациясы процесіне, яғни, қақпанмен электронды алдын ала ұстап алулармен бірдей деп қарапайымдылық үшін ұйғарайық. Онда өткізгіш зонасында электрондардың өзгеріс концентрациясы осы өрнекпен жазуға болады

      (30)

Өрнек (30)-да біз қақпандардардан өткізгіш зонасына кері электрондардың жылулық иондану эффектісін ескермедік. Стационарлық күйде

      (31)

Екі шекті жағдайларды  қарастыру керек. Қақпандар шоғыры N 10¹⁴ см^-3 –дан кем кристаллдарды өсіру қиың. Әлсіз ток кезінде тасушы шоғыры 10^-8 не 10¹⁰ см^-3 мәніне жетіп сол шамадан аз болуы мүмкін. Бұл бірінші шекті жағдай, яғни, <<N, және (31) орнына осыған ие боламыз:

Ендеше, фототок жарықтануға  пропорционалды. Екінші шекті жағдай жарықтанудың жоғарғы деңгейіне  ие, яғни, >> N; осыдан шығарамыз:

       (32)

Жарық көзін өшіргеннен кейінгі жүйе қылығы (30) өрнекпен суреттеледі, L=0 кезінде:

      (33)

N>>n₀ (33) шешімі осы түрге ие болады

)

Ендеше, бастапқы мәннен сигналды e есе әлсірету үшін кететін уақыт мынаған тең

        (34)

Бұл шама (24) қақпандардың жоқ болған кездегі нәтижесінен айырмашылығы айтарлықтай байқалады. Осыдан көрінетіні, қақпандардың болуы өткізгіштікті азайтып және уақыт аралығындағы тұрақтылықты кемітеді.

Қақпандарды босатылуы  процесін ескерсек біздің моделіміз жақсара түсетін болады. Осы жағдайда бақыланғандай, уақыттағы тұрақтылық тасушылардың өмір сүру уақытынан көп болады.

Кеңістіктік заряд, немесе поляризациялық эффектілер. Кристаллдың жарықталуы көлем бойынша біртекті болмағанда немесе электродтар еркін айналым және зарядты тасушыны жоймаған болса, онда фототокты едәуір азайтатың кеңістіктік заряд пайда болады. Мейлін, мысалға, кристаллға қойылған кернеулік 300В болсың, және кристалл қалыңдығы 1см пластинка түрінде болады.Электродтар кристаллдармен жеткілікті байланыста болмады деп ұйғарайық. Осындай шамадағы электрлік өріс кристаллдар төбесіндегі зарядтар тудыратын тығыздығымен заряд тасушылар 1см²

 таралатын өрістерге  эквивалентті.

Кристалл бетінде жиылған  зарядтар тығыздығы бір шамаға жеткенде, ток өшеді, өйткені электродтарға қойылған беттілік зарядтардың электрлік өрісте өрістің шығының өтейді.Ток шамалары және сәкес процестер уақыттары қарастырылып отырған құбылыста салыстырмалы түрде онша үлкен болмайтының байқайық. Осындай түрдегі поляризацияланған эффектілер фотоөткізгіштіктерді өлшеумен айналысатын экпериментаторларға негізгі қиындықтарды тудырады. Кеңістіктік зарядтардың ықпалын азайту үшін импульстік әдістер қолданылады. Кристаллды есептегіштер кристаллдарда қозғалмалы ток тасушы және қақпандарға байланысты процестерді зерттуге пайдалы құрал болып табылады.

Кристаллды  есептегіштер. Кристаллды есептегіш – Кристаллды пластинкадан өткен бөлшектер тудыратын өткізгіш импульстарымен өлшенетін жеке ионданған бөлшектерді регистрациялайдын құрылғы болып табылады. Бірінші кристаллды есептегіш хлор күмісінің кристаллынан өтетін бетта-сәулелерді регистрациялау үшін қолданылған.

Есептеу механизімі өте қарапайым: ионданған бөлшектер әсерінен пайда болған заряд тасушылар сыртқы электрлік өріс ықпалынан электродқа жеткенше дейін не қақпандарға ұсталғанша дейін қалқып жүреді. Зарядтың нәтижелеуші орын ауыстыруы электродтарда сәкес шамада индукцияланады. Сөйте электродтарда сигнал күшейеді.

Енді альфа-бөлшектерді  регистрациялайтын нақты мысалдарды қарастырайық. Кристаллда α-бөлшектердің жүгіріс ұзындығы табиғи-радиоактивті ядро кесірінен өте аз болады-шамамен 10^-3см. α-бөлшек теріс электрод арқылы өткенде n еркін электрондарды туғызатындай лез тоқтап қалсын делік. Кемітікті токтардың сигналдарға тиген пайдасы ескермеуге болатындай аз болады, өйкені электрод маңайндағы кемітіктер онымен тез басылады; сөтіп электрондарға қарағанда кемітіктер аз арақашықтыққа орын ауыстырады. Электрон кристаллда x арақашықтыққа орын ауыстырғанда зарядты электродта индукциялайды, мұндағы d – кристалл қалындығы. Анод бағытына қалқыған электрондар қақпандармен ұстап алынады. Егерде ұстап алу моментінде орташа уақыт Т-ға тең болса, онда

    (35)

өйткені , мұндағы -қозғалғыштық, ал Е-электрлік өрістің кернеулігі.

Интервал dx аралығындағы x жолында ұстап алу сандары мынаған тең

Қоймаларында түзілетін  толық заряд мынаған тең

   (36)

Оң жақтың екінші мүшесі кристаллда барлық жолдан өтіп анодқа жеткен электрондар өрнегі көрсетілген. Интегралдау зарядтың қосындысының шамасын береді:

       (37)

Шама  тасушының жүгіріс жолы деп аталады. Қосындылы заряд Q , δ/d –ға қатынасы сурет 22. көрсетілген.

Өсу уақытын өлшей  алсақ Т – ні анықтауға қиынға соқпайтыны анық, ал импульстің биіктігін өлшеу -ні береді; алынған нәтижелерді комбинациялап қозғалғыштықты анықтай аламыз.

Люминесценция.

Люминесценция деп заттың энергияны жұтылуын және көрінетің спектр облысында не оған жақын жерде сәулелену түрінде тізбекті шығаруды айтамыз. Бастапқы қозу жарықтың сәулеленуімен, электрондардың атқылауымен немесе оң иондармен, механикалық деформацияларымен, химиялық әсерлерінен немесе жылытуымен болуы мүмкін.

Егерде сәулелену қозу үстінде немесе 10^-8 сек уақыт аралығынан кейін болса, онда осындай құбылысты әдетте флуоресценция деп атайды. Интервал 10^-8 сек деп алынғаны олардың көрінетің спектр облысымен негізделген рұқсат етілген электрлік дипольдік өтулермен байланысқан қозған атомдардың күйлерінің реттік шамасына сәйкес келгендіктен.

Егерде қозғаннан кейін  жарықтың шығарылуы бір уақыт  аралығында тоқтап қалса, онда бұл процесс фосфоресценция немесе жарықтан кейіні процессі деп аталады. Жарықтан кейінгі процесстің периоды әртүрлі болуы мүмкін: 10^-16секундтан бастап бірнеше сағатқа дейін.

Люминесценция қасиеттері бар қатты кристалл заттарын фосфорлар деп атаймыз.

Люминесценция қасиеттері бар көптеген қатты денелер өздерін онша көрсете қоймайды, өйткені алдында денемен жұтылған өтпелі энергия сәулеленуі өте аз болады. Берілген заттардың эффективті люминесценциялануына қабілетін артыруына активатор-иондардың болуы дес береді, олар кристаллдарда арнайы қоспалар түрінде болады, әдетте көп емес сандарда. Люминесценция қасиеттері бар кристаллдарды екі класқа бөлуге болады: біріншісі-фотоөткізгіштер, олардың мысалына сұр цинк (ZnS) болып келеді, және екіншісіне люминесценция процесстері фотоөткізгіштердің бар болуына байланысты емес кристаллдарды айтуға болады.

Таллиймен активтендірілген хлорлы каллий. Галогенидті кемітікті металлдар негізінде фосфорлар мұқият зерттелген; олар фотоөтімділігі жоқ фосфорлардың мысалына жақсы сая келеді. Фосфор КСI: TI ; шамамен 0,01% КСI саны К⁺ ионымен бірге ион TI ⁺ орын алған ионды тор болып табылады. Таза КСI кристаллдарды оптикалық жұтылуы 1650Å –ден басталып оданда қысқа толқындар облысына өрісін жаяды. Таллий иондарын енгізсек орталықтары 1960 және 2490Å жұтылудың екі жолағының түзілуіне әкеп соқтырады (Интенсивтілік үшін сондай қисықтар қоңырау формалы болып келеді); сондай-ақ орталығы шамамен 3050Å шығарудың кең жолағы пайда болады. Бұл жолақтар таллий иондарының қозуына байланысты болған.

Ион TI ⁺ негізгі күйі болып 6s² электронды конфигурациясы кезіндегі күйі болып табылады (екі s-электрондар спиндері антипараллельді). Конфигурацияға 6s6p байланысты ең төмен қозыған күйлері болып және , табылады, және көршілес күйлердің арасындағы энергетикалық интервал – 1эВ шамасына тең. Спектроскопиялық таңдау ережесі көрсеткендей J=0 және J^'=0 күйлердің арасындағы өтулер көрсеткендей өтуі тыйым салынады, ал өтуі ортақ таңдау ережесімен сарапталмайды. таңдау ережесі онша эффективті болмайды, сондықтанда және өтулер салыстырмалы жиілікпен орындалады. Біріншісі 2490Å максимумда жұтылу жолағын түзеді, екіншісі - 1960Å максимумындағы жұтылудың түзілуіне ат салысады. Шығару 3050Å – дегі жолақ түзілуі кері өтуде орындалады.

Негізгі күйдің қозуына  байланысты жұтылу Франк-Кондон принципі бойынша орындалады, ендеше тордағы көршілес иондар қосылыстары орындарын ауыстырмайды, дөрекілейсіп айтқанда олар тор төбелерінде фиксацияланған. Жұтылу жолағының ені нольдік тербеліспен және тордың жылулық қозғалысымен анықталады; бұл қозғалыстар кейбір интервал аралықтарында конфигурациялық координата мәндерінде өтулер іске асыра алады. Тор тербеліс периодынан қозған күйдің (Мысалға күйі) өмір сүру уақыты 10⁵ есе көп болады. Сондықтанда жұтылу кезінде пайда болған қозыған күйі тормен жылулық тепе-теңдікке келетіндей өз энергиясын өзгертіп отырады. Франк-Кондон принципіне сәйкес люминесценциялық сәулелену, қозыған күйдің энергиясының минимумына жауап беретін координатаның конфигурациялық мәнінің күйден күйге өтуінің нәтижесінде пайда болады. және өтудегі энергиялардың қайта таратылуы фонондардың шығаруына әкеп соқтырады.

Екі валентті марганецпен  активтендірілген фосфорлар люминесценциялануы таллиймен активтендірілген фосфорлардай харекетте болады. Екі валетті  марганец көптеген кристаллдарға эффективті активатор болып табылады; Марганецпен активтендірілген фосфор жарық шығаратың флуоресценциялық шамдардың құрамында және электронды осциллографтардың экрандарына жабылғыштарды істегенде қолданылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қортынды

Курстық жұмысты қортындылайтың болсақ осы негізгі мағлұматтарға сүйенуге тура келеді:

• Металл емес кристаллдардағы оптикалық құбылыстар сыры тек қазіргі заман физика ғылымының аясында таныла бастады. Осы зерттеліп жатқан ұғым, физикалық құбылыс тек кванттық механика, электр және магнетизм, оптика, жартылай өткізгіштер физикасы т.б. салалардың негізінде дамып, жетілуге мүмкіндік алған.
• Металл емес кристаллдардағы оптикалық құбылыстардың теоретикалық физикада маңыздылығы зор.
• Кристалдардың мөлдірлігі олардың ішіндегі электромагниттік спектрлердің көрінетін облысы 7400 ден 3600Å жететін күшті электрондық және тербелмелік ауысулардың болмауымен түсіндіріледі, бұл интервал энергиясы 1,7 ден 3,5эВ сәйкес келеді.
• Кристаллдар фотондарды рұқсат етілмеген зонаның енінен көп энергияны жұтады, онда электрон-кемітік жұбы түзіледі. Осылайша пайда болған электрон және кемітік содан соң кристаллда еркін орын ауыстырып отырады.Бірақ электрон және кемітік кулондық әсерлесуден бір-біріне тартылады, байланысқан, тұрақты осы бөлшектер түзілуі мүмкін. Фотондар энергиясы бұндай түзілулерге керекті жағдай жасайды, рұқсат етілмеген зонаның енінен E_g аз валенттік зона төбесінен толтырылғанымен қамтамасыздандырады. Бұндай түзілу электрон-кемітік жұбтарымен байланысқаны – экситондар деп аталады.
• Фотоөтімділік құбылысы кристаллға сәулеленудің құлау кезінде диэлектрлік кристаллдың электр өткізгіштің өсуіне негізделеді
• Қақпандар болып электрондарды не кемітікті ұстап ала алатын атом қоспалары немесе кристаллдағы бір дефект болуы мүмкін, және ұстап алған ток тасушысы кейбір уақыт аралығында қақпанды тастайтындай қалып болғаның айтамыз.
• Люминесценция деп заттың энергияны жұтылуын және көрінетің спектр облысында не оған жақын жерде сәулелену түрінде тізбекті шығаруды айтамыз. Егерде сәулелену қозу үстінде немесе 10^-8 сек уақыт аралығынан кейін болса, онда осындай құбылысты әдетте флуоресценция деп атайды.
• Егерде қозғаннан кейін жарықтың шығарылуы бір уақыт аралығында тоқтап қалса, онда бұл процесс фосфоресценция немесе жарықтан кейіні процессі деп аталады.