CS214911B1

CS214911B1 - A method of visualizing the acoustic field in semiconductor by luminescence

Info

Publication number: CS214911B1
Application number: CS419779A
Authority: CS
Inventors: Ivan Turek; Stanislav Kolnik
Original assignee: Ivan Turek; Stanislav Kolnik
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1982-06-25

Abstract

Vynález sa zaoberá novým spósobom zviditeínenia akustického pol'a, pri ktorom sa využívá priestorová modulácia koncentrácie elektrónov spósobená interakciou elektrónov s akustickou vlnou šíriacou sa v polovodivom máteriáli. Vtedy, ked' je elektrická vodivost materiálu nerovnovážná, například ked' je spósobená jeho osvětlením, bude pri vhodných parametroch materiálu dochádzať i k luminiscencii, t. j. k rekomblnácii nosičov elektrického náboja. Intenzita žiarivej rekombinácie závisí od koncentrácie nosičov náboja, takže vplyv akustickej vlny na priestorové rozloženie koncentrácie elektrónov sa prejaví priestorovou moduláclou intenzity lumíniscencie, čo móže byť využité na sledovanie rozloženia akustického pol'a. Účinnost uvedenej modulácie luminiscencie je dostatočne velká pri vysokých frekvenciách, takže vynález je možné použit tam, kde je potřebné poznat rozloženie ultrazvukového pol'a — například, akustická defektoskópia, akustická holografia — a kde je možné narábať s dostatočne intenzívnymi ultrazvukovými vlnami.The invention concerns a new method of visualizing an acoustic field, which uses spatial modulation of electron concentration caused by the interaction of electrons with an acoustic wave propagating in a semiconductor material. When the electrical conductivity of the material is non-equilibrium, for example, when it is caused by its illumination, luminescence, i.e. recombination of electric charge carriers, will also occur with suitable material parameters. The intensity of luminescent recombination depends on the concentration of charge carriers, so the influence of the acoustic wave on the spatial distribution of electron concentration will be manifested by spatial modulation of the luminescence intensity, which can be used to monitor the distribution of the acoustic field. The efficiency of the aforementioned luminescence modulation is sufficiently high at high frequencies, so that the invention can be used where it is necessary to know the distribution of the ultrasonic field — for example, acoustic flaw detection, acoustic holography — and where it is possible to work with sufficiently intense ultrasonic waves.

Description

Vynález sa týká spósobu zviditelneniaakustického póla v polovodičoch pomocouluminiscencie.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a method for visualizing acoustic pole in semiconductors by means of a luminescence.

Elektrické pole akustickéj vlny v materiá-loch s nenulovým koeficientom elektrome-chanickej vazby vytvára priestorovo-časovérozloženle náboja. Ak je elektrická vodivostmateriálu, v ktorom sa šíři akustická vlnačasové modulovaná synchronně s akustic-kou vlnou, vytvára sa také rozloženie nosi-čov elektrického náboja, že jeho střednáhodnota v čase jednej periody bude závisieťod súradnice, sledujúc priestorovú závislostdeformácie akustickej vlny. Takéto rozlože-nie nosičov náboja bolo navrhnuté použitna vytvorenie záznamu akustickej vlny spó-sobom, ktorý sa dá použit v materiálochs vysokým koeficientom elektrooptickéhojavu a umožňuje optické „čítanie“ záznamuakustickej vlny.The electric field of an acoustic wave in materials with a non-zero coefficient of electromechanical bond creates a spatially-time-resolved charge. If the electrical conductivity of the material in which the acoustic wave width is modulated synchronously with the acoustic wave is also generated, the distribution of the electric charge carriers is such that its mean value over a period will depend on the coordinate, following the spatial dependence of the acoustic waveform. Such charge carrier decomposition has been proposed to use the creation of acoustic wave recording in a way that can be used in materials with high electrooptical coefficient and allows the optical "read" of acoustic wave.

Priestorové rozloženie konceptrácie. nosi-čov náboja vytvořené naznačeným sposo-bom móže byť využité i na zviditelňovanieakustického pol'a s využitím žiarivej rekom-binácie nosičov náboja.Spatial layout of conception. the charge carriers produced by the indicated spore can also be utilized for visualization of the field using radiative recombination of charge carriers.

Podstata spósobu zviditefnenia akustické-ho pol'a v polovodičoch pomocou luminis-cencie spočívá v tom, že sa akusto-elektric-ký aktívnou vlnou vo vodivoih maťeriálipriestorove moduluje koncentrácia nosičovnáboja, čím sa pri nerovnovážnej koncen-trácii nosičov náboja zapříčiní priestorovámodulácia žiarivej rekombinácie nosičovnábojae podl'a rozloženia akustického póla. Předpokládejme, že v uvažovanom mate-riáli je elektrická vodivost spósobená dvo-rní druhmi nosičov náboja a že je možnénezávisle regulovat elektrická vodivostsprostredkovanú jedným druhom nosičovnáboja, napr. elektrónmi, nezávisle od vo-divosti spósobenej druhým druhom nosičov,napr. dier, alebo, že je aspoň možné regu-lovat poměr týchto vodivostí. V takom pří-pade je možné napr. vhodnou moduláciouosvetlenia, dosiahnúť toho, že akustickávlna prostredníctvom elektrického pol'a,ktoré vytvoří, vyvolá prúd nosičov, ktoréhodivergencia stredovaná po dobu jednej pe-riody bude funkciou súradnice. To zname-ná, že koncentrácia nosičov nezostane vša-de rovnaká — nosiče náboja sa budú hro-madit v, miestach, v ktorých je rovnaká fá-za časovej deformácie akustickej vlny vočičasovej závislosti modulácie elektrickej vo-divosti. Pokial' dierová vodivost nebude mo-dulovaná, alebo bude modulovaná výraznémenej ako vodivost elektrónová, bude am-plituda priestorového rozloženia koncentrá-cie dier vyvolaná akustickou vlnou analo-gickým sposobom značné menšia ako ampli-túda rozloženia elektrónov.The essence of the method of visualizing the acoustic field in semiconductors by means of luminescence is that the acoustic-electric active wave in the conduit has a modular concentration of the carrier, thereby causing a spatial modulation of the radiant recombination of the carrier in the case of non-equilibrium concentration of the charge carriers. and acoustic pole layout. Suppose that in the contemplated material, the electrical conductivity is caused by the dual types of charge carriers and that it is possible to independently control the electrical conductivity mediated by one kind of carrier, e.g., electrons, independent of the nature caused by the second kind of carrier, e.g. or that it is at least possible to control the ratio of these conductivities. In such a case, for example, by appropriate modulation of the illumination, it can be achieved that the acoustic signal is generated by the electric field which it generates, causing the carrier stream to be co-ordinated. This means that the concentration of the carriers will not remain the same - the charge carriers will be stacked in places where the phase distortion time is the same as the acoustic wave in the time dependence of the electric power modulation. If the hole conductivity is not modulated or will be modulated markedly as electron conductivity, the amplitude of the spatial distribution of the hole concentration produced by the acoustic wave analogous will be considerably less than the electron distribution amplitude.

Ak sa akustická vlna bude šířit v mate-riáli s monopolárnou vodivosťou, tiež zapří-činí rozloženie nosičov náboja. Dosiahne sa přitom také amplitúda rozloženia nosičov,pri ktorej elektrický prúd, vyvolaný elek-trickým polom od náboja vytvořeného pře-rozdělením koncentrácie nosičov a difúznyelektrický prúd, zamedzia další rast ampli-túdy koncentrácie nosičov náboja.If the acoustic wave is propagated in the monopolar conductivity material, it also causes the charge carriers to decompose. Here, the carrier distribution amplitude is also achieved, in which the electric current generated by the electric field from the charge generated by the redistribution of the carrier concentration and the diffusion electric current prevents further growth of the charge carrier concentration amplitude.

Ak sa akustická vlna bude šířit materiá-lom s dvojnosičovou vodivosťou a časovémodulovaná bude iba elektrická vodivostzapříčiněná jedným druhom nosičov, napr.elektrónmi, akustická vlna bude priamo vy-volávat iba priestorové rozloženie tohtodruhu nosičov náboja. Avšak elektrické polevytvořené rozložením týchto nosičov, ktorév případe monopolárnej vodivosti zastavilodalší rast priestorového rozloženia nosičov,bude rovnako pósobiť na oba druhy nosičovnáboja. V takej miere ako elektrické polerastie a zmenšuje „distribučně“ účinkyakustickej vlny na nosiče, ktorých koncen-< trácia je modulovaná, bude toto pole vy-tvárať prúd druhého druhu nosičov, napr.dier. Tento prúd vytvoří také rozloženiedier, aby sa kompenzovali účinky pofa vy-tvořeného rozložením prvého druhu nosi-čov, t. j. elektrónov. V dósledku toho sa „vy-pne“ mechanizmus obmedzovania rasturozloženia nosičov elektrickým polom. Akomechanizmus obmedzenia rastu bude účin-kovat difúzia nosičov náboja, ktorá pri niepříliš vysokých frekvenciách dovolí značnévyššie amplitúdy rozloženia koncentrácie nosičov náboja.If the acoustic wave is propagated by a double-carrier conductive material, and only the electrical conductivity caused by one type of carrier, e.g. electrons, will be time-modulated, the acoustic wave will only call the spatial distribution of this charge carrier directly. However, the electric half-formed distribution of these carriers, which in the case of monopolar conductivity has stopped further growth of the carriers, will also act on both types of carrier. As much as electric polerastia and diminishes the "distributive" effect of acoustic wave on carriers whose concentration is modulated, this field will produce a stream of second kind of carriers, e.g. This stream also creates a decomposed stream to compensate for the effects of the formation of the first species of carriers, i.e. electrons. As a result, the mechanism of limiting the growth of the carrier composition by the electric field is "eliminated". The growth limiting mechanism will act to diffuse the charge carriers, which, at too high frequencies, will allow significant amplitude distributions of charge carrier concentration.

Ak uvedené rozloženie nosičov nábojavytvoříme v materiáli.v ktorom sú přítomnézáchytné centrá pře elektrony a tiež i zá-chytné centra pre diery, důjde k obsadeniutýchto centier v závislosti od rozloženiakoncentrácie volných elektrónov a dier.Koncentrácia nosičov na týchto centrách jev ustálenom stave úměrná koncentráciivolných nosičov s konstantou úměrnosti zá-vislou od hlbky týchto centier. Velkost tejtokonštanty je tým váčšia, čím váčšia je ča-sová konstanta dosahovania rovnovážnéhoobsadenia týchto centier a móže nadobúdaťhodnoty 104 až 105 pri časovej konstantěrádu milisekúnd.If the distribution of carriers is created in the material in which the electron capture centers are present, as well as the capture centers for the holes, there will be occupied centers depending on the concentration of free electrons and holes. The concentration of carriers at these centers is steady state proportional to the concentration of carrier carriers. a constant of proportionality depending on the depth of these centers. The greater the tontonant size, the greater the time constant of achieving the equilibrium occupancy of these centers, and can take values of 104-105 at a time constant of milliseconds.

Akumulácia nosičov náboja zhromažďova-ných akustickou vlnou neprispieva sicek celkovému počtu párov rekombinovanýchza jednotku času, ale umožňuje zvýšit po-diel párov rekombinovaných žiarivo. Zvýše-nie podielu žiarivej rekombinácie je možnépreto, že rýchlym vyprázdněním týchto cen-tier sa na dobu odpovedajúcu době životaprebytočných nosičov, t. j. dobu potrebnú narekombináciu, o niekolko rádov zvýši kon-centrácia volných nosičov. Pri takejto zvý-šenej koncentrácii sa podiel žiarivých pre-chodov móže značné zvýšit až blízko kuhodnotě, ktorá sa dosahuje napr. v luminis-cenčných diodách.The accumulation of charge carriers collected by the acoustic wave does not contribute to the total number of recombined pairs per unit time, but allows to increase the number of pairs of recombined radiation. By increasing the proportion of radiative recombination, it is possible that by rapidly emptying these centers a few orders of magnitude will increase the concentration of free carriers for a period corresponding to the lifetime of unnecessary carriers. At such an increased concentration, the proportion of radiant passages can be considerably increased to near the value obtained, for example, in luminescent diodes.

Claims

3 Using the described phenomenon to visualize the acoustic pole by means of a luminous combination, it may be important that the maximum concentration of both types of carriers is in the same place. This happens when the hubs of the different types of carriers have the opposite sign. This is because the electric fields formed by these carriers are compensated so that the total field is close to zero. Since the elemental charges of the carriers are opposite, the total concentration must be one close to the other. When the electrical conductivity is caused by complementary carriers that can recombine with each other, the probability of recombination will be proportional to the product of the concentrations of both types of carriers, so that its maximum must be within the common maximum of carrier concentrations. The practical applicability of said javascript is determined by the absolute value of the luminescent luminosity under the applicable conditions and the contrast value of the acoustic wave imaging, i.e. the luminance difference ratio of the maximum and the luminance and the mean luminance value at the unit value of the acoustic wave. Said luminescence modulation can be used to visualize the acoustic pole, which can be of considerable importance for acoustic defectoscopy, respectively. acoustic holographic chart. OBJECTS A method of visualizing the acoustic field by semiconductors by means of luminescence, characterized in that the charge carrier concentration is modulated acoustically by the electromagnetically active wave in the conductive material, thereby causing spatial modulation in the non-equilibrium charge carrier. radiant recombination of carriers by the charge distribution of the acoustic field.