Лабораторная работа 3 исследование фотопроводимости полупроводников
ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: получение вольтамперных характеристик фотосопротивления при различной освещенности.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
При освещении полупроводника в нем возможно перераспределение электронов по энергетическим состояниям и увеличение концентрации носителей заряда, т. е. изменяется проводимость полупроводника. Это явление называют внутренним фотоэффектом. Внутренний фотоэффект широко используется в измерительной технике для преобразования характеристик светового потока в электрический сигнал.
Под воздействием
света электрон может перейти из валентной
зоны в зону проводимости (рис. 3.1а). В
процессе взаимодействия фотона с
электроном энергия фотона целиком
передается электрону. Поскольку для
перехода электрона из валентной зоны
в зону проводимости необходимо сообщить
ему энергию, равную или большую энергии
запрещенной зоны, то энергия фотона hν
должна быть равной или большей ∆Eg,
т.е. hν
∆Eg.
В полупроводнике n-типа возможен переход электронов с примесных уровней в зону проводимости (рис. 3.1б). Энергия фотона в этом случае hν ∆EД. В полупроводнике p-типа фотоны возбуждают переходы электронов из валентной зоны на уровень акцепторов (рис. 3.1в), и энергия фотона hν ∆EА. Электропроводность полупроводника, обусловленную фотоэффектом, называют фотопроводимостью.
Полная электропроводность полупроводника складывается из темновой проводимости тем, осуществляемой равновесными носителями заряда, и фотопроводимости фот:
= тем + фот .
Роль фотопроводимости в общей электропроводности тем больше, чем ниже температура (при условии Т > 0 К), т. е. чем ниже темновая электропроводность. Носители заряда, возбужденные фотонами в зону проводимости, могут иметь большую энергию, чем равновесные носители. В этом случае фотоносители располагаются на более высоких энергетических уровнях зоны проводимости, чем равновесные (такие носители называются «горячими»). В течение очень малого промежутка времени (10–10 – 10–12 с) за счет взаимодействия с решеткой эти носители передают ей избыточную энергию и переходят на свободные нижние уровни зоны проводимости (термолизуются). Подвижность неравновесных носителей такая же, как у равновесных. Следовательно,
= q [(n0 +nф)n + (p0 +pф)p],
где nф, pф – концентрации фотоносителей (электронов и дырок соответственно); nо, pо – концентрации равновесных носителей заряда.
Основными характеристиками фотоприемников являются вольт–амперная, спектральная и энергетическая характеристики. Спектральная характеристика – зависимость чувствительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматического излучения.
Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока Iф от потока излучения Φ, падающего на фотоприемник. Энергетическая характеристика описывается обычно степенной функцией вида:
Iф ~ Φ n.
Показатель степени n характеризует линейность энергетической характеристики. При n 1 характеристика линейна; область значений Φ (от Φmin до Φmax), в которой это условие выполняется (рис. 3.2), определяет диапазон dΦ линейности фотоприемника.
АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ
Д
ля
получения вольтамперной характеристики
фотосопротивления при различной
освещенности используется установка,
принципиальная схема и передняя панель
которой приведены на рис. 3.3 и рис. 3.4.
Фотосопротивление
4 освещается источником света 5. Установив
с помощью переключателя 6 одно из значений
потока излучения (от Ф1
до Ф5),
снимают вольтамперную характеристику
фотосопротивления по вольтметру 2 и
миллиамперметру 3, задавая различные
значения напряжения на фотосопротивлении
потенциометром 1. При включении
переключателя 6 в положение Ф0
источник света отключается и можно
получить в
ольтамперную
характеристику фотосопротивления при
отсутствии освещения.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях.
К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для каждого потока излучения построить вольтамперную характеристику, для чего необходимо подать 10 различных напряжений, охватывающих весь интервал возможных значений, и записать полученные силы токов, повторив каждое измерение не менее 3 раз.
По полученным экспериментальным данным необходимо построить графики вольтамперных характеристик фотосопротивления, определить его темновое сопротивление Rтем; построить зависимость проводимости полупроводника от потока излучения σ = f(Е), для чего необходимо из углового коэффициента наклона каждой прямой выразить значение проводимости σ.
Численные значения потока излучения Ф1 – Ф5 приведены на экспериментальной установке.
Содержание отчета и его форма
Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении А.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
В чем различие энергетического спектра состояний электронов в полупроводниках и диэлектриках?
В чем состоит внутренний фотоэффект в полупроводниках, чему равна красная граница?
Какие виды оптического поглощения полупроводников вам известны?
Как из кривой оптического поглощения определить ширину запрещенной зоны собственного полупроводника?
Как из кривой оптического поглощения определить энергию активации примесного полупроводника?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Список основной литературы
1. Гуревич А. Г. Физика твердого тела. СПб. : БХВ-Петербург, 2004.
2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000.
Список дополнительной литературы
1. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982.
2. Голубин М. А., Хабибулин И. М., Шестопалова В. И. Введение в лабораторный практикум. Элиста: Джангар, 1997.
3. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.
4. Шалимова К. В. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1986.
5. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.
6. Киселев В. Ф., Козлов С. Н., Зотеев А. В. Основы физики поверхности твердого тела. М.: МГУ, 1999.