侧向光伏效应研究

请将电子版打印出来，仔细阅读，不懂之处用笔标记上，这样才算写了预习报告。老师将根据认真程度给预习分

侧向光伏效应研究

实验类型：近代光学设计性实验

实验地点：实训中心2号楼1楼2123教室

实验日期：第9-12周（第一轮），每周（例如周五）节次（例如34节）

学生姓名：学号：手机号：Email:

一.目的要求

测量金属-氧化物-半导体Ni–SiO2–Si的侧向光伏随激光扫描点的变化关系。

实验要求达到：

1、理解光侧向光伏效应的现象与形成机制

2、测量侧向光伏随激光扫描点X、Y坐标的变化关系

3、学会用Origin软件进行数据分析与绘图

4、计算出位置灵敏度、线性相关系数

二.实验原理

侧向光伏效应是指在点照明下，在PN结、金属半导体结、半导体异质结的同一面接上外路电压而测得的光伏效应，如图1所示。

图1 金属-氧化物-半导体结Ni–SiO2–Si侧向光伏产生原理

侧向光伏效应产生的机理是：点光源照射样品，会在照射位置产生大量电子-空穴对，由于电子数密度N(r)与周围存在明显差异，会进行扩散，两个铟电极A和B收集的电荷数量不同导

致电势差UAB。侧向光伏U

AB 随激光照射点位置的变化关系为：

2

)]2

exp()2

[exp(0d

x

L

d x

L

K U U U B A AB +-

---

=-= （1）

其中K 0为比例系数，L 为电极间距，d 为电子散射波长，x 为激光点照射位置。 从理论公式（1）与实验均可得到如下图所示的侧向光伏随激光扫描点x 坐标的变化关系曲线：

图2 侧向光伏随激光扫描点x 坐标的变化关系

三. 实验装置

实验设备主要有：半导体激光器、小孔、凸透镜（焦距26毫米）、直尺、万用表、三维微位 移平台、金属-氧化物-半导体（Ni –SiO 2–Si ）片、细铜丝、接线板、电控箱、控制软件、电脑。 如图所示，激光经过小孔被卡成口径1毫米的光斑，被凸透镜聚焦到Ni –SiO 2–Si 的表面。Ni –SiO 2–Si 的硅衬底背面两只铟电极A 、B 上粘两根细铜丝导线，分别连接到接线板上的红、黑接线柱上，细铜丝导线重量很轻，以防止拽脱落铟电极。

图3 侧向光伏的测量装置

红表笔的一端插在万用表的红色插孔V Ω中，另一端插在接线板的红色接线柱内（与电极A 相连）。黑表笔的一端插在万用表的黑色插孔COM 中，另一端插在接线板的黑色接线柱内（与电极B 相连）。

Ni –SiO 2–Si 片固定在位移平台上，用电脑控制位移平台移动（切勿用手拧步进电机使其转动），激光点就会在Ni –SiO 2–Si 片上扫描。

勿拔!

X 轴的步进电机

激光照射点

四. 实验步骤、数据记录（红色下划线为要求记录或计算的数据） （1） 设置三维位移平台的控制软件SC300

运行SC300软件，进行电脑与设备的连接。下拉菜单“运行→连接”，

默认是COM1→点击确定，此时基本设置和基本控制栏内会倒入SC300的内部默认参数。

小孔

设置螺距：下拉菜单“设置→电移台参数→”

将X 轴pitch（螺距）选项中默认的4（单位：mm）改为1（单位：mm）→点击Apply→

将Y轴的pitch（螺距）选项中默认的4（单位：mm）改为1（单位：mm）→点击Apply→点击OK。

将Z轴的默认选项Rotate（转动）改为motor(移动），并将Z轴的pitch（螺距）选项中默认的4（单位：mm）改为1（单位：mm）→点击Apply→点击OK

以上设置完成，就可以控制平台进行移动。想让X轴电机运动，在界面上将按沉下

去；想让Y轴电机运动，在界面上将按沉下去；想让Z轴电机运动，在界面上将

按沉下去。然后在软件界面上输入要求步进电极转动的步数（Step）。步进电机转动1600 Step，平台直线运动1毫米。步进电机每步转动使平台直线运动0.625微米。实验中，不必使平台每次移动这么小的精度，否则测量的数据点太密集。按“+”：使平台往靠近电机方向运动; 按“—”：使平台往远离电机方向运动。

（2）激光聚焦：

将凸透镜的磁性表座旋转到“OFF ”，释放表座，表座的磁铁不吸钢桌面。

移动凸透镜靠近Ni –SiO 2–Si 片。同时用电脑控制三维平台Z 方向移动。凸透镜的磁性表座与三维平台之间拧了5只阻挡螺丝，只要磁性表座不越过5只阻挡螺丝，三维平台前进时就不会撞上凸透镜。

调整Ni –SiO 2–Si 片与凸透镜的距离，用直尺测量Ni –SiO 2–Si 片与凸透镜的间距大致为26毫米左右（凸透镜焦距），使激光聚焦点尽可能的小，以提高扫描精度。

阻拦螺丝

想让X 轴电机运动，将其按沉 想让Y 轴电机运动，将其按沉

要求步进电极转动的步数

不要按！

使平台往远离电机方向运动

使平台往靠近电机方向运动

调整好各器件的位置后，将磁性表座旋转到“ON ”，固定在钢桌面上。

请老师用激光功率计测量下照射在Ni –SiO 2–Si 表面的激光功率是否为3毫瓦。

（3）寻找电极点，确定电极间距

将红表笔插入万用表的红色插孔V Ω中，将黑表笔插入万用表的黑色插孔COM 中。万用表请打到直流 200 mV 档。

用电脑控制平台移动，使激光照射到A ′点（其背面是电极A ）附近，微移动平台的X 位置，寻找最大的电压。再微移动平台的Y 位置，寻找最大的电压U AB(max)= mV 。

26毫米

勿拔!

图4 光照A 电极

记下此时电控箱面板上显示的A ′点的坐标，X= Step ，Y= Step 。

继续用电脑控制平台移动，使激光照射到B ′点（其背面是电极B ）附近时，会发现侧向光伏从正最大值变成0，再变成负值。在B ′点附近，用电脑控制步进电机微移动平台的XY ，移动量100 Step 或更小，寻找最小的电压U AB(min)= mV ，并记下此时电控箱面板上显示的B ′点的坐标，X= Step ，Y= Step 。由于实际制做出的样品不均匀，侧向光伏的极大值U AB(max)与极小值U AB(min)的绝对值大小存在10mV 左右的差异。

（4）比较A ′B ′两点的Y 坐标是否相同。一般情况下不可能恰好相同。A ′B ′两点的Y 坐标不同说明A ′B ′两点的连线不是水平线。

Laser

+

记下X 的坐标值 记下Y 的坐标值

记下X 的坐标值 记下Y 的坐标值

Ni –SiO 2–Si 片的水平调整

有必要将A ′B ′两点的Y 坐标调到同一高度，以方便后续的测量。细微旋转放置Ni –SiO 2–Si 的调整架，使片子的XY 平面绕Z 轴旋转。

寻找电压最大时的A ′点坐标，电压最小时的B ′点坐标。比较A ′B ′两点的Y 坐标是否相同。若不相同，再稍微旋转放置Ni –SiO 2–Si 的调整架，使片子在XY 平面内稍微旋转点角度。寻找电压最大时的A ′点坐标，电压最小时的B ′点坐标。比较A ′B ′两点的Y 坐标是否相同。经过数次微调节，使A ′B ′两点的Y 坐标相同为止。记下电极点A 、B 的X 坐标之差，即为电极AB 的间距，为 Step ；此时激光点照射在A ′（或B ′）点上，按电路控制箱上的1、4键，将A ′（或B ′）点的当前坐标X 、Y 设置为相对坐标零点，即A ′（或B ′）点的坐标变为X= 0 Step ，Y= 0 Step 。

（5）用激光扫描Ni –SiO 2–Si 表面，记录侧向光伏、扫描点的X 、Y 坐标值。

建议激光扫描范围为下图中白色矩形方框。范围选取原则是：X 方向的扫描范围以电压不随激光位置变化为止，大致区间为AB x AB 4

3

43≤≤-

。

Y 方向的扫描范围建议为-3mm ≤ Y ≤3mm 。

水平线)

按4键，将当前停留位置的Y 坐标设置为相对坐标零点

按1键，将当前停留位置的X 坐标设置为相对坐标零点

顺时针/逆时针旋转此钮，使片子的XY 平面绕Z 轴顺时针/逆时针旋转

图10 激光二维扫描Ni–SiO2–Si的表面

因为软件控制界面上输入的数字以步进电机的转动步数为单位，所以数据表格以Step数为单位记录比较方便。画图时再换算成毫米，1600 Step=1毫米。建议步进电机的运动间隔400 Step（0.25毫米）为宜，请自行把握。原则是数据记录点既不要太密集，也不要太稀疏。

（6）根据表一的数据绘制出电压值随激光扫描点X、Y坐标的变化曲线图（注意要将坐标零点变换到电极AB的中心，之前的坐标原点是A′或B′点）

图12 电压值随激光扫描点的X、Y坐标的变化关系

（7）根据表一的数据绘制出激光沿y=0、±1mm、±2mm、±3mm的直线扫描时电压值随激光扫描点的X坐标的变化关系曲线。用数据处理程序进行最小二乘法线性回归拟合，记录下电脑屏幕显示的b值（即直线的斜率，代表位置灵敏度）=，r值（线性相关系数）=；

图13 激光沿y=0、±1mm、±2mm、±3mm的直线扫描时电压值随X坐标的变化关系

（8）、根据表一的数据绘制出激光沿x=0、±1mm、±2mm、±3mm的直线扫描时，电压值随激光扫描点Y坐标的变化关系曲线。

图14 激光沿x=0、±1mm、±2mm、±3mm的直线扫描时电压值随Y坐标的变化关系

五．注意事项

a)近代光学实验教室内的仪器贵重，禁止在实验台上喝水、吃零食。水洒进仪器会造成

仪器电路短路、笔记本主板短路。如果口渴确实需要喝水，请将水放到教室入口的签到桌上，喝好后放回原处，请勿随身携带。如果水洒进仪器导致损坏，照价赔偿，实验成绩按不及格处理。

b)确认半导体激光器、小孔、凸透镜的磁性表座在“ON”状态，牢固吸在钢桌面上，以

防胳膊肘将其碰倒跌落。

c)请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同学做实验，更不要动他人的仪

器。

d)请勿触摸Ni–SiO2–Si的表面。

e)测量时不要碰导线，否则数据不稳定。更不能拉扯细铜丝导线，导致铟电极脱落。

f)不要用自己的U盘拷贝数据，以免教室电脑染上病毒。实验结束后，教师会将讲义、

数据图片等email给学生。

六.观察与思考

g)日光会对测量有影响吗？

h)电极之外的侧向光伏为何不与激光扫描点的X坐标呈线性关系？

i)侧向光伏效应有什么可能的应用？

七.参考文献

Liming Chi, Pengfei Zhu*, Hui Wang, Xiaoan Huang, Xiangting Li. “A High Sensitivity

Position-Sensitive Detector Based on Au-SiO2-Si Struc ture”. Journal of Optics, 2011,

13:015601.

八.实验报告

报告开头请填入姓名、学号、手机号、实验日期。请将报告电子版发到zpf@https://www.wendangku.net/doc/ca15670104.html, 九.指导教师：朱老师手机139********