Контрольные вопросы

1. Какой вид имеет картина энергетического спектра валентных электронов в кристалле?

2. Как формулируется принцип Паули? Какое количество электронов может одновременно находиться в одном квантовом состоянии?

3. Чем отличается заполнение энергетических зон валентными электронами в металлах полупроводниках и диэлектриках?

4. Что такое собственные полупроводники? Как зависит сопротивление собственных полупроводников от ширины запретной зоны? От температуры?

5. В каких координатах “спрямляется” зависимость

6. Что такое термисторы и с какой целью они используются?

5. Лабораторная работа № 3.12 изучение спектральной характеристики фоторезистора

Цель работы: определение ширины запрещённой зоны собственного полупроводника оптическим методом.

Приборы и принадлежности: осветитель, монохроматор, фоторезистор, электронный омметр.

Схема опыта:

Рис. 29. Схема установки для исследования внутреннего фотоэффекта

Цифрами обозначены: 1 — осветитель; 2 — монохроматор; З фоторезистор 4 - омметр.

Краткая теория и методика измерений

Фоторезистором называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор изменяющий своё электросопротивление в зависимости от освещенности. Принцип действия фоторезистора основан на явлении внутреннего фотоэффекта, который происходит в собственном полупроводнике, при переходе электрона из валентной зоны в свободную зону (переход 1) за счёт энергии поглощенного кванта света.

Рис. 30. Схема электронных переходов в полупроводнике при поглощении кванта света.

Для примесных полупроводников при достаточно низких температурах возможен также переход электрона под действием кванта света с донорного уровня в свободную (переход 2) и переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень (переход 3). (При комнатных температурах донорные уровни практически опустошены, а акцепторные полностью заполнены.)

В результате рассмотренных электронных переходов при освещении полупроводника, увеличивается концентрация свободных носителей, а следовательно, возрастает электропроводность полупроводника.

Для изготовления фоторезистора, работающего в видимой и ближней инфракрасной области спектра, используются собственные полупроводники с широкой запрещённой зоной, обладающие большим значением темнового сопротивления.

Для переброса электрона через запрещённую зону необходимо, чтобы энергия кванта света была больше или равна :

(2.42)

Определив наибольшую длину световой волны , при которой еще наблюдается фотоэффект (красную границу внутреннего фотоэффекта.), можно рассчитать ширину запретной зоны:

(2.43)

Порядок выполнения работы

1. Проверьте электрическую цепь установки по схеме, приведенной на рис. 29. Включите электронный омметр и после 10-минутного прогрева приступайте к измерениям.

2. Установите ручкой поворота дисперсионной призмы визир на шкале монохроматора на отметку 0,60÷0,70 делений (шкала монохроматора проградуирована в микрометрах). Включите осветитель.

3. Убедитесь, что на фоторезистор не попадает посторонний свет. Плавно вращая ручку поворота дисперсионной призмы монохроматора, добейтесь наименьших показаний сопротивления фоторезистора. Снимите отсчет по шкале монохроматора, соответствующий максимальной чувствительности фоторезистора.

4. Плавно увеличивая длину световой волны, снимайте через каждое деление шкалы значение сопротивления фоторезистора. Так как фоторезистор обладает некоторой инерционностью, время каждого измерения должно быть не менее одной минуты. Показания необходимо снимать до тех пор, пока величина сопротивления не превысит предельного значения омметра (порядка 1÷2 МОм).

5. Постройте график зависимости и определите длину волны, для которой крутизна графика имеет наибольшее (по модулю) значение. Найденная длина волны является искомой красной границей внутреннего фотоэффекта.

6. По формуле (2.43) рассчитайте ширину запрещёной зоны полупроводника, из которого изготовлен фоторезистор.

Таблица 12