3652

Пройдя входную щель, свет попадает на параболический зеркальный объектив 15 и, отразившись от него, разлагается в спектр призмой 16. Разложенный в спектр свет, отразившись от зеркала Литтрова 17, вторично проходит призму и фокусируется объективом 15 на выходную щель 18. При повороте зеркала 17 на выходную щель направляются лучи различных длин волн. Изображение выходной щели проектируется зеркалами 19, 20 и эллиптическим зеркалом 21 на приемную площадку болометра 22 с уменьшением 12*. Зеркало 20 состоит из двух частей: полированной и матовой. Матовая часть зеркала 20 устанавливается для устранения рассеянного света в длинноволновой части спектра.

Щели монохроматора – симметричные и раскрываются одновременно в пределах 0,01-3 мм. Для компенсации кривизны изображения спектра, вносимой призмой, лезвия ножей входной щели изготовлены изогнутыми; благодаря этому на входную щель приходит выпрямленное изображение спектра. В зависимости от рабочего спектрального интервала в качестве диспергирующего элемента используют кварц (УФдиапазон), стекло (видимый диапазон), NaCl, LiF, KBr (ИК – диапазон).

Общий недостаток спектрометров – это необходимость их градуировки. Для градуировки наиболее часто применяют эталонные спектры. В ультрафиолетовой и видимой области используются линии ртути, а в инфракрасной – спектры поглощения паров жидкостей, например СО2, хлороформа и др. Для каждой призмы, а также при их смене необходима повторная градуировка.

3.6.6. Определение параметров полупроводников из спектров поглощения

Оптические переходы, приводящие к появлению избыточных носителей в зоне проводимости в полупроводниках, бывают двух типов: прямые и непрямые. При непрямых переходах электронов из зоны в зону

141

поглощаются или испускаются фононы. Прямые переходы проходят без участия фононов и играют существенную роль только тогда, когда экстремумы зоны проводимости и валентной зоны находятся при одном и том же значении квазиимпульса. Если же минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны расположены при различных значениях квазиимпульса, то в этих случаях наблюдаются непрямые переходы. При непрямых переходах происходит либо поглощение фотона и фонона, либо поглощение фотона и испускание фонона. Непрямые переходы наблюдаются в германии, кремнии, карбиде кремния и других полупроводниках. Вид переходов играет существенную роль при выборе полупроводникового материала для квантовых генераторов. Тип оптических переходов определяют по виду экспериментальной спектральной зависимости поглощения вблизи основной полосы, сравнивая её с кривой, рассчитанной теоретически.

Существует пять процессов поглощения в полупроводниках в области собственного и примесного поглощения:

-Поглощение, связанное с переходами через запрещенную зону.

-Поглощение, связанное с переходами в пределах одной зоны (поглощение на свободных носителях).

-Примесное поглощение.

-Поглощение на колебаниях решетки.

-Экситонное поглощение.

Исследуя различные процессы поглощения, можно определить те или иные параметры полупроводников. Рассмотрим некоторые из них.

1. Поглощение, связанное с переходами через запрещенную зону.

Этому процессу сопутствует собственная фотопроводимость. Зависимость коэффициента поглощения в этой

142

как ширину запрещенной зоны Е, так и спектр фононов исследуемой кристаллической решетки hфононов.

Рис. 3.18. Определение ширины запрещенной зоны из спектра собственного поглощения света в прямозонном (а) и непрямозонном полупроводниках при температурах:

1 – Т = 195 К; 2 - Т = 245 К; 3– Т = 290 К; 4 – Т = 333 К

2. Поглощение, связанное с переходами в пределах одной зоны (поглощение на свободных носителях).

Спектр поглощения существенно различается для зоны проводимости и валентной зоны. Для электронов в широком диапазоне спектра 2. Для дырок в определенной области спектра зависимость сложнее: она определяется переходами из одной ветви валентной зоны в другую, так как во многих случаях валентная зона является вырожденной при значениях квазимпульса, равных нулю. Изучая поглощение такого рода можно определить: а) эффективные массы проводимости электронов и дырок; б) структуру валентной зоны; в) концентрацию свободных носителей по положению пика поглощения.

144

Например, в той области, где >> m*, можно определить из выражения

если N-(концентрация носителей заряда) и n (подвижность) найдены другими, например из эффекта Холла. 0 – длина волны в вакууме, 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, n- коэффициент преломления, с – скорость света в вакууме.

3. Примесное поглощение.

Этот вид поглощения связан с переходами между локальным уровнем, расположенным в запрещенной зоне, и зоной проводимости или валентной зоной. Примесное поглощение обычно исследуют при концентрации примесей более чем 105 атом/см3 и низких температурах. В частности, для примесей III и V групп в германии и кремнии измерения следует проводить при температуре жидкого гелия, а для глубоких уровней (Ni, Fe, Cu, Au др., когда Е 0,1-0,5 эВ) при температуре жидкого азота. При большом содержании таких примесей возможно вести измерения и при комнатной температуре. Для полупроводниковых соединений типа АIIBVI, таких как CdS, энергия ионизации примесей составляет 0,5-1 эВ при ширине запрещенной зоны порядка несколько электронвольт. При этом измерение спектров поглощения можно производить при комнатной температуре и в области длин волн, соответствующих видимому и ближнему инфракрасному участку спектра.

Исследуя примесное поглощение, можно определить энергию активации примесного уровня, а зная сечение

фотоионизации , можно оценить концентрацию примеси: N = / .

Различные дефекты, такие как вакансии и дислокации, также дают характерные спектры поглощения. Повышенное содержание дефектов вблизи края поглощения приводит

145

обычно к увеличению коэффициента поглощения. Исследование величины коэффициента поглощения – чувствительный метод определения совершенства структуры и чистоты материала.

4. Поглощение на колебаниях решетки.

Спектр такого поглощения имеет вид пиков в определенной области длин волн. Полупроводниковые соединения АIIIBV, состоящие из атомов разного типа, можно рассматривать как набор электрических диполей. Под действием света эти диполи могут поглощать энергию электромагнитного поля, и наибольшее взаимодействие будет наблюдаться при совпадении частоты излучения с частотой колебания диполя. Обычно это имеет место в далекой инфракрасной области спектра.

Наибольшее практическое значение имеет измерение поглощения в кремнии, связанное с присутствием в решетке кремния атомов кислорода.

146

ЧАСТЬ II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

4.1. Классификация и особенности механических испытаний

Многообразие условий службы и обработки конструкционных материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических испытаний. Они классифицируются по разным принципам. Один из них - схема напряженного или деформированного состояния. Всего существует восемь схем. Они сведены в табл. 4.1 вместе с соответствующими примерами реализации в различных испытаниях и условиях эксплуатации (рис. 4.1).

Приведенные в табл. 4.1 схемы применимы, строго говоря, лишь в области упругой и равномерной деформации. В процессе реальных испытаний, особенно после начала сосредоточенной пластической деформации, эти схемы могут значительно изменяться. Помимо напряженного, важное значение при механических испытаниях имеет деформированное состояние, возникающее в материале образца. В большинстве случаев испытаний деформированное состояние гораздо сложнее напряженного состояния.

При любом способе нагружения в материале возникают нормальные и касательные напряжения. Рост касательных напряжений приводит к пластической деформации материала и вязкому разрушению, в то время как нормальные напряжения приводят к упругой деформации и к хрупкому разрушению. Отношение максимальных касательных max к максимальным нормальным напряжениям max , действующим в материале, зависит от способа нагружения и называется коэффициентом жесткости нагружения

147

148

ципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды - минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу (т. е. схемой напряженного состояния): одноосное растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем - просто растяжение, сжатие), изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схемы напряженного состояния).

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых - тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы - сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге - то предельное напряжение,

150