Тема 3. Внутренний фотоэффект

Цель работы: изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с рейте­рами, фотосопротивление ФС-А1, микроамперметр, вольт­метр, реостат, эталонная лампа накаливания, карандаш, калькулятор, миллиметровая бумага.

Таблица заданий

Задание 1

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	12	25	32	49	62
10	I, мкА	0	30	61	92
20	I, мкА	0	21	43	66	88

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		84	74	66	62	58	56
20	IT, мкА	62		62	62	62	62	62	62
	I, мкА					100	93	88	85

Задание 2

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	14	28	36	52	68
10	I, мкА	0	32	58	80	94
20	I, мкА	0	19	36	58	76	88

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	36		36	36	36	36	36	36
	I, мкА	100		86	76	66	56	46	36
20	IT, мкА	62		62	62	62	62	62	62
	I, мкА					100	96	86	78

Задание 3

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	12	25	32	49	64
10	I, мкА	0	28	56	89	97
20	I, мкА	0	22	54	70	81	92

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		88	76	64	52	40	28
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	93	86	78	69

Задание 4

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	16	25	36	49	64
10	I, мкА	0	30	60	90
20	I, мкА	0	20	50	70	90

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	44		44	44	44	44	44	44
	I, мкА	100		88	78	67	56	45	36
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	94	88	81	74

Задание 5

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	14	27	40	53	67
10	I, мкА	0	29	58	85	98
20	I, мкА	0	18	45	68	92

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		88	78	67	56	45	36
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА					100	93	88	85

Задание 6

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	14	27	40	53	67
10	I, мкА	0	30	61	92
20	I, мкА	0	21	43	66	88

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		86	76	66	56	46	36
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	94	88	81	74

Задание 7

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	14	27	40	53	67
10	I, мкА	0	32	58	80	94
20	I, мкА	0	21	43	66	88

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	36		36	36	36	36	36	36
	I, мкА	100		86	76	66	56	46	36
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	94	88	81	74

Задание 8

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	16	25	34	49	64
10	I, мкА	0	28	56	89	97
20	I, мкА	0	22	54	70	81	92

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		88	76	65	51	39	26
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	92	87	76	66

Задание 9

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	12	25	32	49	64
10	I, мкА	0	26	58	86	97
20	I, мкА	0	21	52	68	82	92

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	42		42	42	42	42	42	42
	I, мкА	100		85	74	61	49	37	26
20	IT, мкА	58		58	58	58	58	58	58
	I, мкА				100	93	86	78	69

Задание 10

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
		0	3	6	9	12	15
-	IT, мкА	0	17	28	36	49	64
10	I, мкА	0	28	56	89	97
20	I, мкА	0	21	53	68	79	92

Таблица 2

U, В	Ток		а, см
		10		15	20	25	30	35	40
10	IT, мкА	41		41	41	41	41	41	41
	I, мкА	100		88	76	64	52	40	28
20	IT, мкА	57		57	57	57	57	57	57
	I, мкА				100	93	86	78	69

Теоретическая часть

В твердом теле уровни энергии атомных электронов трансформируются в энергетические зоны. Обла­сти разрешенных значений энергии отделены друг от друга областями запрещенных значений. Если энергетическая зона заполнена электронами не полностью, то ее электроны при наложении электрического поля могут создавать ток, в про­тивном же случае они не участвуют в токопереносе. Ширина запрещенной зоны проводников практически равна нулю, для создания тока в проводнике достаточно приложить электри­ческое поле. Чтобы обеспечить электропроводность полупро­водника или диэлектрика, необходимо сообщить электронам некоторую энергию, которая определяется шириной запрещен­ной зоны. Так как ширина запрещенной зоны полупроводников невелика, то уже при небольшом нагревании полупровод­ника электроны приобретают энергию, достаточную для пе­рехода в зону проводимости. Запрещенная зона изоляторов широка (несколько эВ), поэтому вызвать заметную электро­проводность изоляторов нагреванием невозможно.

При переходе электронов из валентной зоны в зону про­водимости на энергетических уровнях валентной зоны обра­зуются свободные места (дырки). Заполняясь электронами с нижележащих уровней, дырки перемещаются по направле­нию поля как положительные заряды.

Описанный механизм проводимости полупроводника опре­деляет собственную проводимость. Если в кристаллической решетке твердого тела имеются атомы примеси, то электроны этих атомов обычно размещаются не на энергетических уровнях основной решетки, а на отдельных энергетических уровнях. В зависимости от расположения примесного уровня в за­прещенной зоне соответствующий атом примеси может обу­словить электронную или дырочную проводимость тела. Так, занятый электронами примесный уровень вблизи дна зоны проводимости создает электронную проводимость, а свобод­ный уровень вблизи верха валентной зоны – дырочную про­водимость.

Это краткое описание механизма проводимости полупро­водников показывает, что проводящее состояние полупровод­ника является возбужденным. Поэтому всякое воздействие, сообщающее энергию электронам полупроводника, влияет на его электропроводность. Наряду с тепловым механизмом воз­буждения проводимости большое значение имеет механизм возбуждения проводимости фотонами.

Если энергия фотона, поглощаемого веществом, равна или больше энергии, необходимой для перехода электрона в зону проводимости, в твердом теле под действием излучения по­являются добавочные носители тока. Они обусловливают до­бавочную проводимость и создают фототок.

Объектом исследования яв­ляется фотосопротивление (рис. 1, а) – тонкий слой 1 полу­проводникового материала, нанесенный на изолирующую пла­стинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся кон­струкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

Рис. 1. Устройство фотосопротивления (а) и схема его включения (б)

На рис. 1, б приведена схема включения фотосопротив­ления (ФС). При отсутствии освещения в цепи протекает темновой ток I_T, зависящий от приложенного напряжения и темнового сопротивления. При освещении ток I в цепи боль­ше темнового тока. Разность между током при освещении и темновым током составляет фототок I_Ф.

Характеристиками фотосопротивления являются чувстви­тельность, зависимость чувствительности от длины волны па­дающего излучения (спектральная характеристика) и от осве­щенности (световая характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление.

Чувствительность в общем случае вычисляется как отно­шение фототока I_Ф к лучистому потоку Ф_Э:

.

Если фотосопротивление используется для регистрации излу­чения видимой части спектра, чувствительность выражают в амперах (чаще микроамперах) на люмен. Поскольку чув­ствительность фотосопротивления зависит от спектрального состава падающего излучения, при определении чувствитель­ности необходимо указывать, каким источником создавалось излучение. Для определения чувствительности фотосопротив­ления в видимой части спектра источником излучения обыч­но служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2840 К.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от приложенного напряжения, поэтому при задании чув­ствительности необходимо либо указывать рабочее напряже­ние U, либо пользоваться понятием удельной чувствитель­ности

.

В работе исследуются:

1. зависимость темнового тока и фототока от напряжения на фотосопротивлении при постоянном световом потоке (вольтамперные характеристики);

2. зависимость фототока от освещенности (световые характеристики);

3. зависимости темнового сопротивления r_T и относитель­ного изменения сопротивления Δr/r_T при постоянном напря­жении от освещенности.

Зависимость фототока от освещенности фотосопротивле­ния имеет обычно нелинейный характер, так как внутренний фотоэффект сопровождается различными вторичными явле­ниями (рекомбинацией носителей тока в объеме и на поверх­ности, захватом носителей, дефектами решетки и др.).

Экспериментальная часть

1. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для исследования внутрен­него фотоэффекта изображена на рис. 2, где ФС - фотосо­противление (типа ФС - A1), PU - вольтметр, PA - микро­амперметр, R - реостат, S_{Э -} эталонная лампа накали­вания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптиче­ской скамье.

Рис. 2. Схема для исследования внутреннего фо­тоэффекта