Контрольные вопросы

1.Каково отличие между металлами и полупроводниками с точки зрения их электрических свойств?

2. Что такое температурный коэффициент сопротивления и каков он у полупроводников?

3. Что такое терморезисторы и почему полупроводники используют в качестве материала для терморезисторов? Из каких конкретно полупроводниковых материалов изготовляют ТР?

4. Объясните зонные диаграммы собственного и примесных (n-типа и p-типа) полупроводников. Какова природа их проводимости.

5. Выведите формулу, выражающую удельную электропроводность через концентрацию и подвижность носителей заряда.

6. Что собой представляет подвижность носителей заряда?

7. Объясните температурную зависимость концентрации носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.

8. Как подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры?

9. Объясните температурный ход электропроводности и сопротивления собственных и примесных полупроводников.

10. Назовите основные параметры терморезисторов?

11. Каков вид вольтамперной характеристики терморезистора? Объясните зависимость U (I).

12. Какова методика измерений сопротивлений в настоящей работе? Объясните принцип измерений с помощью моста постоянного тока.

13. Как определяется ширина запрещенной зоны материала ТР? Выведите соответствующую формулу.

Лабораторная работа № 73. Изучение свойств фотосопротивлений

Цель работы: снятие вольт-амперных характеристик и построение световых характеристик фоторезистора.

Теоретическое введение

Внутренний фотоэффект. При облучении светом полупроводников и диэлектриков наблюдается уменьшение их электрического сопротивления, вызванное освобождением электронов внутри слоя вещества, в котором поглощается излучение. Возникающая при этом дополнительная электропроводность носит название фотопроводимость, а процесс генерации свободных носителей заряда под действием света называется внутренним фотоэффектом. Рассмотрим механизм этого явления на примере собственного полупроводника (рисунок 73.1). Освобождение электронов означает их переход из валентной зоны в зону проводимости; такой переход под действием света возможен, если энергия световых квантов W=hυ превышает ширину запрещенной зоны (однако эта энергия не должна превосходить интервала между верхним краем зоны проводимости и нижним краем валентной зоны).

W_max

Рисунок 73.1

Одновременно с переходом электрона из заполненной зоны в свободную возникает одна дырка в валентной зоне. Следовательно, один поглощенный фотон с энергией hυ≥ΔW освобождает пару электронов-дырка; количество освобожденных пар равно числу поглощенных фотонов. Однако было бы неверным считать, что возникшие под действием излучения пары и обуславливают фотопроводимость. Опытным путем установлено, что у большинства собственных полупроводников фотоносителями являются не электроны и дырки одновременно, а те носители заряда, у которых в данных условиях больше время жизни, т.е. время, в течение которого они находятся в свободном состоянии. В одних случаях это - электроны, а в других - дырки. Освобожденные светом носители заряда называют неравновесными (по сравнению с затемненным полупроводником, у которого при некоторой постоянной температуре определенному числу электронов в свободной зоне соответствует точно такое же число дырок в заполненной зоне). Итак, освобожденные светом неравновесные носители заряда в течение очень короткого времени (порядка секунд) находятся в свободном состоянии. В этот момент они блуждают в межатомных промежутках и, при наличии разности потенциалов между двумя точками полупроводника, перемещаются преимущественно в одном направлении, образуя таким образом, электрический ток. Затем фотоносители или рекомбинируют, или примыкают к каким-либо атомам, потерявшим свои электроны. Однако при непрерывном освещении полупроводника появляются все новые и новые фотоносители, но в то же время какое-то число их возвращается назад. В результате устанавливается динамическое равновесие, характерное тем, что число возникающих фотоносителей становится равным числу фотоносителей, возвращающихся обратно. Несмотря на которое время жизни носители обеспечивают возникновении фотопроводимости в веществе, следовательно, они ведут себя таким же образом, как и обычные свободные носители, возникающие в полупроводнике за счет теплового механизма возбуждения.

Рассмотренный нами пример относится к случаю собственной фотопроводимости. У примесных полупроводников, кроме указанного типа фотопроводимости, существует еще примесная фотопроводимость, обусловленная возбуждением примесных носителей заряда (рисунок 73.2).

W_C

W_C

W_пр

акцепторный уровень

донорный уровень

W_V

W_V

а) б)

Рисунок 73.2

Примесный фотоэффект возможен, очевидно лишь в том случае, если примесный уровень W_пр заполнен электронам, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо охлаждать до низких температур.

Максимальную длину волны света λо ( или минимальную частоту υ₀ при которой в данном полупроводнике возникает фотопроводимость) называют красной границей фотоэффекта. Для собственных полупроводников:

где с – скорость света; h – постоянная Планка; W_q – ширина запрещенной зоны (ΔW).

Эффективность внутреннего фотоэффекта характеризуется величиной квантового выхода, который определяется как отношение числа фотонов к общему числу поглощенных веществом фотонов :

Если бы каждый фотон вызывал появление одного фотоэлектрона, величина квантового выхода была бы . Однако для большинства полупроводниковых материалов . Это объясняется тем, что только часть лучистого потока оказывается фотоактивной, т.е. способной генерировать фотоносители. В то время как остальная часть рассеивает свою энергию в кристаллической решетке, повышая интенсивность теплового движения составляющих ее частиц, либо поглощается свободными носителями.

Фотосопротивления и их характеристики

Фотосопротивление, или фоторезистор – это полупроводниковый прибор, уменьшающий свое электрическое сопротивление под действием лучистого потока. Он изготавливается следующим образом. На изолирующую подложку наносится тонкий слой полупроводника, обычно методом испарения в вакууме. Затем по краям этого слоя также испарением в вакууме наносятся металлические электроды. Пластинка помещается в эбонитовую или пластмассовую оправку с окошком. Электроды соединяются с двумя выводными клеммами, с помощью которых фотосопротивление включается в цепь последовательно с источником напряжения (рисунок 73.3). Для предохранения от влияния воздуха фоточувствительная поверхность покрывается тонкой пленкой лака такого сорта, чтобы лаковая пленка обладала прозрачностью в той области спектра, которую «чувствует» данное фотосопротивление.

Другой распространенный способ создания фоточувствительного слоя состоит в том, что полупроводниковое вещество измельчается в мелкий порошок, из которого выпрессовывается тонкие таблетки, которые подвергаются спеканию. Затем на них наносят токовые электроды и помещают в пластмассовую оправку с окошком. Иногда фотосопротивления изготавливаются из монокристалла фотоактивного полупроводникового вещества.

1 – изолирующая подложка; 2 – п/п слой; 3 – металлические электроды.

Рисунок 73.3

Когда фотосопротивление, включенное в цепь с источником напряжения, затемнено, то в цепи, а следовательно, и в фотосопротивлении течет ток , определяемый электрическим сопротивлением фоторезистора и приложенной к нему разностью потенциалов. Этот ток называют темновым. При падении на поверхность фотосопротивления лучистого потока интенсивностью ток возрастает, достигая значения (это возрастание идет не по линейному, а по более сложному закону). Разность между световым и темновым током и дает значение фототока:

т.е. тока, который образуется из освобожденных излучением носителей заряда. Величина , измеренная при определенных условиях, является важной характеристикой фотосопротивления.

Каждое сопротивление характеризуется рядом параметров, определяющих не только его свойства, но и пределы применимости. Важнейшими характеристиками фотосопротивлений являются:

1)вольтамперная характеристика, выражающая зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке

при .

У большинства фотосопротивлений эта зависимость линейна и проходит через начало координат;

2) Световая характеристика, выражает зависимость фототока от величины светового потока при постоянном напряжении

при

- эта характеристика, как правило, нелинейная;

3) Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока к величине светового потока при величине внешнего напряжения, приложенного к фотосопротивлению, равной 1В:

(мкА/лмВ)

4) Спектральная чувствительность – характеризует величину фототока от действия единицы лучистого потока определенной длины волны. Эта характеристика отражает тот факт, что фотосопротивление не в одинаковой мере чувствует излучение различных длин волн, рисунок 73.4 иллюстрирует это явление. На этом же рисунке показана зависимость фоточувствительности от длины волны (вообще говоря, максимум фоточувствительности приходится на край поглощения). На рисунке 73.5 показаны спектральные характеристики для различных фотосопротивлений.

Рисунок 73.4 Рисунок73.5

5) Постоянная времени – время, в течении которого фототок после прекращения освещения уменьшается в раз. Эта характеристика позволяет оценить степень инерционности фотосопротивления, т.к. после прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течении некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установиться концентрация свободных носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация ).

6) Частотная характеристика – также отражает инерционные свойства фотосопротивлений. Фотоэлектрическая инерционность приводит к тому, что когда на поверхность полупроводника падает переменный световой поток (модулированный свет ), то сила фототока зависит от частоты модуляции.

7) Пороговая чувствительность – минимальная величина светового потока, способного вызвать электрический сигнал, в 2-3 раза превышающий напряжение шума прибора.

8) Темновое сопротивление – сопротивление неосвещенного образца.

9) Номинальное напряжение – напряжение, при котором, рекомендуется использовать данное фотосопротивление.

В качестве материала для изготовления фотосопротивлений используется не любые полупроводниковые вещества, а только те из них, в которых фотопроводимость реально ощутима. К таким веществам относятся Se, Te, S, PbS, , CdS, PbTe, PbSe, CdS и др.

Фотосопротивления нашли широкое практическое применение в различных схемах измерения, автоматически и контроля.

По сравнению с вакуумными фотоэлементами с внешним фотоэффектом фотосопротивления имеют ряд преимуществ: значительно большую интегральную чувствительность, хорошие спектральные характеристики, высокую стабильность свойств, большой срок службы, малые габариты, простоту технологий изготовления. К недостаткам фотосопротивлений относятся их инерционность, отсутствие прямой пропорциональности между силой фототока и интенсивностью освещения, температурная значимость.

Измерения и обработка результатов

Установка, схема которой приведена на рисунке 73.6, позволяет снять вольтамперную и световую характеристику фотосопротивления. Ток фотосопротивления определяется как разность токов освещения сопротивления и при отсутствии его, т.е.

Поскольку величина темнового тока очень мала по сравнению с величиной световой и не фиксируется используемыми в данной работе приборами, можно полагать . Тогда фототок совпадает с измеренными значениями светового тока.

R

Рисунок 73.6

Регулировка напряжения на ФС осуществляется с помощью реостата , включенного как потенциометр. Освещение ФС производиться лампой накаливания, которую приближенно можно рассматривать как точечный источник света. Регулирование светового потока осуществляется изменением расстояния между лампой и ФС. Световой поток находиться по формуле

где – световой поток в люменах (лм); – сила света лампы в канделах (кд); – расстояние между лампой и ФС (м); – площадь ФС .

Порядок выполнения работы:

1. Включить выпрямитель в цепь и замкнуть ключ ;

2. Включить освещение, замкнуть цепь лампочки ключом ;

3. Снять семейство вольтамперных характеристик ФС при трех разных световых потоках: , , , задавая при снятии каждой характеристики не менее 6-7 напряжений U;

4. Снять семейство световых характеристик при трех разных значениях напряжений: , , . При снятии каждой световой характеристики следить за поддержанием постоянства напряжения, задавать не менее 6 - 7 значений светового потока (расстояний );

5. Данные пункта 3 занести в таблицу 1, данные пункта 4 занести в таблицу 2;

6. График строить на миллиметровой бумаге.

Таблица 73.1

1	=		,В
			, мкА
2	=	=	, В
			, мкА
3	=	=	, В
			, мкА

Таблица 73.2

1	=	, м
		, Лм
		, мкА
2	=	, м
		, Лм
		, мкА

Определить удельную интегральную чувствительность ФС при нескольких значениях U и Ф, заметно отличаются друг от друга. Удельная чувствительность называется таковой, потому что измеряется она при освещении ФС светового спектрального состава. Удельная интегральная чувствительность зависит от освещенности и температуры. В табличных данных приводиться значение при освещении источником света с температурой 2840 К. Размерность удельной интегральной чувствительности: