Розділ 2
Експериментальне обладнання та методики
Різні методи реєстрації чутливі до різних параметрів речовини. Так, метод
реєстрації за допомогою газомікрофонної комірки чутливий до зміни температури
на поверхні зразка. Величина амплітуди та фазового зсуву ФТА перетворення
залежить від варіацій теплових параметрів зразка [7]. При реєстрації пружних
зміщень у зразку (за допомогою дефлекції допоміжного променя, інтерферометру,
п‘єзоперетворювача) сигнал залежить від пружних властивостей середовища, що
опромінюється (модуля Юнга, коефіцієнтів теплового розширення та
Пуассона) [8,100].
В напівпровідниках при опроміненні їх модульованим світлом окрім теплових хвиль
збуджуються також нерівноважні носії заряду. Це приводить до перерозподілу
об‘ємних джерел тепла та залежності змінної температури від таких параметрів
нерівноважних носіїв як час життя, швидкість поверхневої рекомбінації,
коефіцієнт амбіполярної дифузії [37].
Властивості нерівноважних носіїв заряду, що збуджуються в напівпровіднику,
можна вивчати реєструючи зміни коефіцієнта оптичного відбиття під дією
лазерного опромінення [90,146]. Властивості нерівноважних носіїв, що збуджені
модульованим світлом, дуже схожі з властивостями теплових хвиль. Нерівноважні
носії також можуть бути використані як самостійне джерело інформації про
властивості напівпровідникової структури. Одержувати дані про параметри
нерівоважних носіїв в напівпровіднику можна, досліджуючи фото-е. р. с.
конденсаторним методом. Суміщення фототермоакустичної мікроскопії та вимірів
поверхневої фото-е. р. с. (фотоелектрична мікроскопія) може дозволити отримати
взаємодоповнюючу інформацію про властивості напівпровідникових структур. Тому
використання їх в одному пристрої є доцільним.
В зв’язку з цим в цій роботі були апробовані та проведені порівняльні
дослідження таких методів реєстрації ФТА перетворення: газомікрофонний, метод
п'єзодатчика, інтерферометричний, дефлекційний. Також був досліджений метод
вивчення зміни оптичного коефіцієнта відбиття напівпровідників під дією
модульованого лазерного випромінювання як чутливий до концентрації збуджених
нерівноважних носіїв.
2.1. Базова установка для фототермоакустичних досліджень
Блок-схема експериментальної установки для дослідження фототермоакустичного
ефекту наведена на рис. 2.1. Промінь лазера (ЛГ - 38, l = 0,6328 мкм) (1)
модулюється стробоскопічним модулятором (2) і крізь оптичну систему (3, 5)
спрямовується на зразок (6.8), який знаходиться в фотоакустичній комірці (6).
Фототермоакустичний сигнал підсилюється попереднім підсилювачем (11),
синхронним підсилювачем (13). Опорний
Рис.2.1. Блок схема базової ФТА установки (а) та газомікрофонної комірки (б):
1) лазер, 2) стробоскопічний модулятор, 3) дзеркало, 4) фотоприймач з
попереднім підсилювачем, 5) оптична система, 6) ФТА комірка зі зразком,
6.2) кварцове віконце, 6.3) накидна гайка, 6.4) мікрофон електретний,
6.6) гвинт, 6.7) підкладка, 6.8) зразок 7) двокоординатний столик, 8) схема
стабілізації частоти обертання модулятора, 9) вольтметр (В7-23), 10) частотомір
(Ч3-38), 11) попередній підсилювач, 12) самописець (Н306), 13) синхронний
підсилювач (Unipan 232B).
сигнал для синхронного підсилювача формується фотодіодом (4). Електричний
сигнал від фотодіода використовується також для: стабілізації частоти обертання
модулятора (8), контролю інтенсивності випромінювання лазера вольтметром (9) та
вимірювання частоти модуляції частотоміром (10).
ФТА комірка використовувалася як газомікрофонна (рис.2.1б), так і
п’єзоелектрична (схему п’єзоелектричної комірки описано у п. 2.4 та наведено на
рис.2.6б). Комірка розміщена на двокоординатному рухомому столику. Модулятор
(2) може бути замінений на електрооптичний (МЛ – 102А) та акустоелектричний
(МЛ – 201). В залежності від частоти модуляції світла використовувалися різні
підсилювачі (13). Для частот fm = 5 Гцё150 кГц використовувався синхронний
підсилювач Unipan 232В, для частот fm = 150 кГцё1 МГц – селективний підсилювач
HMV–4.
Оптична система (5) дозволяла як фокусувати промінь, так і рівномірно
освітлювати зразок. За допомогою самописця (12) була можлива реєстрація
залежності амплітуди ФТА перетворення від часу.
В установці використовувався синхронний підсилювач Unipan 232В, який дозволяє у
межах ±p/2 вводити додатковий фазовий зсув yоп в канал опорного сигналу. На
виході синхронного підсилювача напруга визначається як U = U0 Чcos (j - yоп),
де U0 – амплітуда сигналу ФТА перетворення; j – фазовий зсув між ФТА
перетворенням та модульованим за інтенсивністю випромінюванням лазера.
Якщо провести вимірювання вихідного сигналу при двох фіксованих фазових зсувах
yоп = 0 та yоп = -p/2, то сигнали на виході підсилювача дорівнюватимуть:
U1 = U0 cosj, U2 = U0 cos(j-p/2) = U0 sinj. (2.1)
З цих рівнянь знаходимо амплітуду U0 та фазовий зсув j ФТА перетворення:
U0 = , tgj =U2/U1. (2.2)
Джерелами можливих похибок у вимірах були:
- нестабільність частоти модуляції збуджуючого випромінювання;
- акустичні шуми;
- шум системи реєстрації;
- фонове освітлення п’єзоперетворювача;
- похибки, зумовлені приклеюванням зразка.
Нестабільність частоти модуляції випромінювання зумовлює похибку вимірювання
фази сигналу. При використанні стробоскопічного модулятора похибка у
вимірюваннях фази не перевищувала 3°, а при використанні електрооптичного та
акустооптичного модуляторів зменшувалась до 1°.
Електричні шуми. Діапазон робочих напруг на п’єзоперетворювачі при ФТА
дослідженнях 1 ё 100 мкВ. За рахунок наведених струмів на частоті 50 Гц та
кратних до неї виникають досить великі пох
- Киев+380960830922