лр3 / ЛР3 Лобазев 9494
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
отчет
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Электротехническое материаловедение»
Тема: Исследование фотоэлектрических свойств
полупроводниковых материалов
Студент гр. 9494 |
|
Лобазев Н. А. |
Преподаватель |
|
Никонов В. А. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы
Исследование спектральных зависимостей фотопроводимости полупроводников СdS и СdSе и зависимостей фотопроводимости от уровня оптического облучения.
Основные понятия и определения
Фотоэлектрические свойства полупроводника описывают изменение электрических характеристик материала при воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона. Возникающие при этом процессы называют фотоэлектрическими эффектами (фотоэффектами). В однородных полупроводниках наиболее важным является фоторезистивный эффект (ФРЭ), который состоит в уменьшении сопротивления полупроводника под воздействием света. Для возникновения ФРЭ полупроводник необходимо облучать потоком фотонов с энергиями, достаточными для ионизации собственных или примесных атомов. При этом происходит увеличение концентрации свободных носителей заряда и возрастает удельная проводимость полупроводника. Добавочную проводимость, возникающую при фотоактивном поглощении, называют фотопроводимостью γф. Фотопроводимость равна разности проводимостей полупроводника на свету γс и в темноте γт:
Различают собственную и примесную фотопроводимость. Собственная фотопроводимость обусловлена оптическими переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Примесная фотопроводимость связана с оптическими переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или же с захватом электронов валентной зоны на примесные уровни (образованием дырок в валентной зоне).
Важнейшим свойством ФРЭ является зависимость фотопроводимости от энергии (длины волны) падающего фотона, описываемой спектральной характеристикой. Для возбуждения собственной фотопроводимости энергия фотонов должна превышать пороговое значение, определяемое шириной запрещенной зоны полупроводника:
где h = 4,14*10–15 эВ*с – постоянная Планка; c = 3*108 м/с – скорость света;
– ширина
запрещенной зоны.
Пороговое значение длины волны λпор, соответствующее , называют красной границей фотоэффекта. При уменьшении длины волны излучения от λпор интенсивность оптических переходов возрастает, что приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда и соответствующему росту фотопроводимости.
С другой стороны, при больших энергиях фотонов (малых λ) существенно возрастает коэффициент оптического поглощения, что сопровождается уменьшением глубины проникновения света в полупроводник.
При этом неравновесные носители заряда, возбуждаемые в тонком поверхностном слое, быстро рекомбинируют через уровни поверхностных дефектов. Это приводит к спаду фотопроводимости после некоторого максимума на спектральной характеристике ФРЭ.
Важное значение имеет фоточувствительность материалов. При фотооблучении возникают неравновесные носители заряда, которые при снятии облучения исчезают вследствие рекомбинации.
Основной принцип повышения фоточувствительности материала заключается в увеличении времени жизни неравновесных носителей заряда.
Для этого в материал вводятся примеси, создающие в запрещенной зоне уровни, называемые «ловушками захвата». В отличие от рекомбинационных уровней, на них могут захватываться носители заряда только одного знака, а вероятность захвата носителей другого знака крайне мала.
Вследствие этого время жизни носителей другого знака значительно увеличивается и, соответственно, возрастает их концентрация, что обуславливает высокую фотопроводимость (фоточувствительность).
Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения называется световой характеристикой. При увеличении уровня облучения полупроводника возрастает интенсивность оптических переходов и, следовательно, растет фотопроводимость.
В области слабых световых потоков характеристика обычно имеет линейный характер. Однако с повышением интенсивности света линейность нарушается, что объясняется усилением роли процесса рекомбинации вследствие того, что часть ловушек захвата начнет превращаться в рекомбинационные центры. Это служит причиной замедления роста фотопроводимости.
Описание установки
В настоящей работе на установке, схема которой представлена на рис. 3.1, исследуются фотоэлектрические свойства полупроводниковых материалов, которые широко используются для производства промышленных фоторезисторов – сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe), обладающих высокой чувствительностью к излучению видимого диапазона спектра.
Основной частью установки для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников является монохроматор (см. рис. 3.1). Световой поток от лампы E, питаемой от источника G, через входную щель монохроматора F1, ширина которой регулируется микрометрическим винтом, поступает на диспергирующее устройство П.
Рис. 3.1. Схема для исследования
фотоэлектрических свойств полупроводников
На выходе монохроматора (щель F2) установлены исследуемые образцы R полупроводниковых материалов. Изменение проводимости фиксируется с помощью цифрового омметра PR.
Протокол к ЛР №3
«Исследование фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов»
Для первого образца
Rт1 = 9,445 Мом – темновое сопротивление 1
Деление по барабану |
RC, МОм |
, мкм |
Э, усл. ед. |
600 |
8,33 |
0,476 |
0,141 |
700 |
8,05 |
0,477 |
0,143 |
800 |
7,71 |
0,478 |
0,145 |
900 |
7,27 |
0,479 |
0,147 |
1000 |
6,67 |
0,48 |
0,15 |
1100 |
5,94 |
0,481 |
0,153 |
1200 |
5,15 |
0,482 |
0,153 |
1300 |
4,31 |
0,484 |
0,163 |
1400 |
3,2 |
0,487 |
0,172 |
1500 |
2,25 |
0,49 |
0,182 |
1600 |
1,45 |
0,494 |
0,195 |
1700 |
0,87 |
0,499 |
0,21 |
1800 |
0,46 |
0,505 |
0,228 |
1900 |
0,22 |
0,512 |
0,248 |
2000 |
0,098 |
0,52 |
0,27 |
2100 |
0,0419 |
0,528 |
0,295 |
2200 |
0,0202 |
0,536 |
0,323 |
2300 |
0,0108 |
0,545 |
0,353 |
2400 |
0,00605 |
0,555 |
0,385 |
2500 |
0,00234 |
0,566 |
0,42 |
2600 |
0,00114 |
0,579 |
0,46 |
2700 |
0,00113 |
0,594 |
0,505 |
2800 |
0,00219 |
0,611 |
0,56 |
2900 |
0,00852 |
0,629 |
0,63 |
3000 |
0,074 |
0,649 |
0,71 |
3100 |
1,4 |
0,672 |
0,83 |
3200 |
7,4 |
0,697 |
0,99 |
3300 |
9,03 |
0,725 |
1,17 |
3400 |
9,16 |
0,758 |
1,37 |
3500 |
9,19 |
0,8 |
1,6 |
Для второго образца
Rт2 = 9,568 Мом – темновое сопротивление 2
Деление по барабану |
RC, МОм |
, мкм |
Э, усл. ед. |
600 |
9,32 |
0,476 |
0,141 |
700 |
9,28 |
0,477 |
0,143 |
800 |
9,23 |
0,478 |
0,145 |
900 |
9,16 |
0,479 |
0,147 |
1000 |
9,07 |
0,48 |
0,15 |
1100 |
8,97 |
0,481 |
0,153 |
1200 |
8,84 |
0,482 |
0,157 |
1300 |
8,67 |
0,484 |
0,163 |
1400 |
8,44 |
0,487 |
0,172 |
1500 |
8,09 |
0,49 |
0,182 |
1600 |
7,56 |
0,494 |
0,195 |
1700 |
6,88 |
0,499 |
0,21 |
1800 |
5,99 |
0,505 |
0,228 |
1900 |
0,62 |
0,512 |
0,248 |
2000 |
3,25 |
0,52 |
0,27 |
2100 |
2,08 |
0,528 |
0,295 |
2200 |
1,18 |
0,536 |
0,323 |
2300 |
0,639 |
0,545 |
0,353 |
2400 |
0,29 |
0,555 |
0,385 |
2500 |
0,138 |
0,566 |
0,42 |
2600 |
0,073 |
0,579 |
0,46 |
2700 |
0,0442 |
0,594 |
0,505 |
2800 |
0,0275 |
0,611 |
0,56 |
2900 |
0,011 |
0,629 |
0,63 |
3000 |
0,004 |
0,649 |
0,71 |
3100 |
0,00366 |
0,672 |
0,83 |
3200 |
0,0594 |
0,697 |
0,99 |
3300 |
0,0217 |
0,725 |
1,17 |
3400 |
2,7 |
0,758 |
1,37 |
3500 |
7,46 |
0,8 |
1,6 |
Исследование зависимости фотопроводимости от интенсивности облучения
CdS
d, мм |
RC, МОм |
0,01 |
5,18 |
0,02 |
1,842 |
0,03 |
0,9126 |
0,05 |
0,2353 |
0,1 |
0,0472 |
0,2 |
0,0146 |
0,3 |
0,00808 |
0,5 |
0,00428 |
1 |
0,00204 |
2 |
0,00125 |
4 |
0,00119 |
CdSe
d, мм |
RC, МОм |
0,01 |
8,6 |
0,02 |
6,31 |
0,03 |
3,46 |
0,05 |
0,9701 |
0,1 |
0,1956 |
0,2 |
0,0572 |
0,3 |
0,0315 |
0,5 |
0,01537 |
1 |
0,00706 |
2 |
0,00404 |
4 |
0,0038 |
Обработка результатов измерений
Вычислим проводимость на свету, фотопроводимость и приведенную проводимость для всех длин волн по практическим данным и запишем полученные значения в таблицу.
Для первого образца
Деление по барабану |
RC, МОм |
, мкм |
Э, усл. ед. |
|
|
|
|
600 |
8,33 |
0,476 |
0,141 |
0,120048 |
0,014048 |
0,099631 |
0,0000523 |
700 |
8,05 |
0,477 |
0,143 |
0,124224 |
0,018224 |
0,127438 |
0,0000668 |
800 |
7,71 |
0,478 |
0,145 |
0,129702 |
0,023702 |
0,16346 |
0,0000857 |
900 |
7,27 |
0,479 |
0,147 |
0,137552 |
0,031552 |
0,214637 |
0,000113 |
1000 |
6,67 |
0,48 |
0,15 |
0,149925 |
0,043925 |
0,292834 |
0,000154 |
1100 |
5,94 |
0,481 |
0,153 |
0,16835 |
0,06235 |
0,407517 |
0,000214 |
1200 |
5,15 |
0,482 |
0,153 |
0,194175 |
0,088175 |
0,576306 |
0,000302 |
1300 |
4,31 |
0,484 |
0,163 |
0,232019 |
0,126019 |
0,77312 |
0,000405 |
1400 |
3,2 |
0,487 |
0,172 |
0,3125 |
0,2065 |
1,200581 |
0,00063 |
1500 |
2,25 |
0,49 |
0,182 |
0,444444 |
0,338444 |
1,859585 |
0,000975 |
1600 |
1,45 |
0,494 |
0,195 |
0,689655 |
0,583655 |
2,993103 |
0,00157 |
1700 |
0,87 |
0,499 |
0,21 |
1,149425 |
1,043425 |
4,968692 |
0,002606 |
1800 |
0,46 |
0,505 |
0,228 |
2,173913 |
2,067913 |
9,069794 |
0,004757 |
1900 |
0,22 |
0,512 |
0,248 |
4,545455 |
4,439455 |
17,90103 |
0,009388 |
2000 |
0,098 |
0,52 |
0,27 |
10,20408 |
10,09808 |
37,4003 |
0,019614 |
2100 |
0,0419 |
0,528 |
0,295 |
23,86635 |
23,76035 |
80,54355 |
0,042241 |
2200 |
0,0202 |
0,536 |
0,323 |
49,50495 |
49,39895 |
152,9379 |
0,080208 |
2300 |
0,0108 |
0,545 |
0,353 |
92,59259 |
92,48659 |
262,0017 |
0,137406 |
2400 |
0,00605 |
0,555 |
0,385 |
165,2893 |
165,1833 |
429,0474 |
0,225013 |
2500 |
0,00234 |
0,566 |
0,42 |
427,3504 |
427,2444 |
1017,249 |
0,533493 |
2600 |
0,00114 |
0,579 |
0,46 |
877,193 |
877,087 |
1906,711 |
1 |
2700 |
0,00113 |
0,594 |
0,505 |
884,9558 |
884,8498 |
1752,178 |
0,918924 |
2800 |
0,00219 |
0,611 |
0,56 |
456,621 |
456,515 |
815,2054 |
0,427532 |
2900 |
0,00852 |
0,629 |
0,63 |
117,3709 |
117,2649 |
186,1347 |
0,097618 |
3000 |
0,074 |
0,649 |
0,71 |
13,51351 |
13,40751 |
18,88382 |
0,009904 |
3100 |
1,4 |
0,672 |
0,83 |
0,714286 |
0,608286 |
0,732874 |
0,000384 |
3200 |
7,4 |
0,697 |
0,99 |
0,135135 |
0,029135 |
0,029429 |
0,0000154 |
3300 |
9,03 |
0,725 |
1,17 |
0,110742 |
0,004742 |
0,004053 |
0,00000213 |
3400 |
9,16 |
0,758 |
1,37 |
0,10917 |
0,00317 |
0,002314 |
0,00000121 |
3500 |
9,19 |
0,8 |
1,6 |
0,108814 |
0,002814 |
0,001759 |
0,000000922 |
,
мкСм
,
мкСм
,
мкСм/усл.ед.
Для второго образца
Остальные значения рассчитываются аналогично (автоматизировано с помощью таблицы Excel)
Деление по барабану |
RC, МОм |
, мкм |
Э, усл. ед. |
, мкСм |
, мкСм |
, мкСм/усл.ед. |
|
600 |
9,32 |
0,476 |
0,141 |
0,107296 |
0,002796 |
0,019831 |
0,0000563429 |
700 |
9,28 |
0,477 |
0,143 |
0,107759 |
0,003259 |
0,022788 |
0,0000647437 |
800 |
9,23 |
0,478 |
0,145 |
0,108342 |
0,003842 |
0,026499 |
0,0000752888 |
900 |
9,16 |
0,479 |
0,147 |
0,10917 |
0,00467 |
0,031771 |
0,0000902668 |
1000 |
9,07 |
0,48 |
0,15 |
0,110254 |
0,005754 |
0,038357 |
0,00010898 |
1100 |
8,97 |
0,481 |
0,153 |
0,111483 |
0,006983 |
0,045639 |
0,000129668 |
1200 |
8,84 |
0,482 |
0,157 |
0,113122 |
0,008622 |
0,054918 |
0,000156033 |
1300 |
8,67 |
0,484 |
0,163 |
0,11534 |
0,01084 |
0,066505 |
0,000188952 |
1400 |
8,44 |
0,487 |
0,172 |
0,118483 |
0,013983 |
0,081299 |
0,000230985 |
1500 |
8,09 |
0,49 |
0,182 |
0,123609 |
0,019109 |
0,104997 |
0,000298315 |
1600 |
7,56 |
0,494 |
0,195 |
0,132275 |
0,027775 |
0,142437 |
0,000404689 |
1700 |
6,88 |
0,499 |
0,21 |
0,145349 |
0,040849 |
0,194518 |
0,000552663 |
1800 |
5,99 |
0,505 |
0,228 |
0,166945 |
0,062445 |
0,273881 |
0,000778148 |
1900 |
0,62 |
0,512 |
0,248 |
1,612903 |
1,508403 |
6,082271 |
0,017280873 |
2000 |
3,25 |
0,52 |
0,27 |
0,307692 |
0,203192 |
0,752564 |
0,002138176 |
2100 |
2,08 |
0,528 |
0,295 |
0,480769 |
0,376269 |
1,275489 |
0,003623903 |
2200 |
1,18 |
0,536 |
0,323 |
0,847458 |
0,742958 |
2,300178 |
0,006535238 |
2300 |
0,639 |
0,545 |
0,353 |
1,564945 |
1,460445 |
4,137239 |
0,011754671 |
2400 |
0,29 |
0,555 |
0,385 |
3,448276 |
3,343776 |
8,685132 |
0,024676089 |
2500 |
0,138 |
0,566 |
0,42 |
7,246377 |
7,141877 |
17,00447 |
0,048312885 |
2600 |
0,073 |
0,579 |
0,46 |
13,69863 |
13,59413 |
29,55246 |
0,083964073 |
2700 |
0,0442 |
0,594 |
0,505 |
22,62443 |
22,51993 |
44,59393 |
0,126699718 |
2800 |
0,0275 |
0,611 |
0,56 |
36,36364 |
36,25914 |
64,74846 |
0,183962513 |
2900 |
0,011 |
0,629 |
0,63 |
90,90909 |
90,80459 |
144,1343 |
0,409512498 |
3000 |
0,004 |
0,649 |
0,71 |
250 |
249,8955 |
351,9655 |
0,99999998 |
3100 |
0,00366 |
0,672 |
0,83 |
273,224 |
273,1195 |
329,0597 |
0,934920301 |
3200 |
0,0594 |
0,697 |
0,99 |
16,83502 |
16,73052 |
16,89951 |
0,048014683 |
3300 |
0,0217 |
0,725 |
1,17 |
46,08295 |
45,97845 |
39,29782 |
0,111652477 |
3400 |
2,7 |
0,758 |
1,37 |
0,37037 |
0,26587 |
0,194066 |
0,000551378 |
3500 |
7,46 |
0,8 |
1,6 |
0,134048 |
0,029548 |
0,018468 |
0,0000524701 |
