Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛР3 / 9492_Скотаренко_ЭТ материаловедение_ЛР3_исправлено

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
16.09.2021
Размер:
471.08 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ 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. 9492

 

Скотаренко Д.Д.

Преподаватель

 

 

Кучерова О.В.

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 по-

лупроводниках 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 .

и в темноте т:

 

.

полупроводника на свету

Фотопроводимость равна разности проводимостей

ф

 

ф = с т

 

 

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

 

−15

 

пор = = ∆Э

8 м

– скорость света;

 

 

– постоянная Планка;

 

 

 

 

 

пор

 

 

– ширина запрещенной зоны.

 

с = 3 10 с

 

 

Э h = 4.14 10

 

эВ с

 

 

 

 

 

Пороговое значение длины волны пор, соответствующее Э, называют

 

 

 

 

 

 

2

 

 

красной границей фотоэффекта. При уменьшении длины волны излучения от пор 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.

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.

3

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 E1, питаемой от источника G, через входную щель монохроматора , ширина которой регулируется микрометрическим винтом,

поступает на диспергирующее устройство2 Π.

На выходе монохроматора (щель ) установлены исследуемые образцы R полупроводниковых материалов. Изменение проводимости фиксируется с помощью цифрового омметра PR.

4

Т2

Протокол.

 

 

 

= 16 МОм, второго резистора

= 16 МОм

 

 

 

-Темновое сопротивление первого резистора - Т1

Таблица 1. Протокол первого опыта.

 

 

 

 

 

 

 

Деления барабана

R1, МОм

 

 

R2, МОм

 

 

 

600

3,377

 

 

14,512

 

 

 

700

2,7

 

 

14,171

 

 

 

800

2,082

 

 

13,626

 

 

 

900

1,575

 

 

12,876

 

 

 

1000

1,159

 

 

12,331

 

 

 

1100

0,855

 

 

11,338

 

 

 

1200

0,625

 

 

9,822

 

 

 

1300

0,458

 

 

8,054

 

 

 

1400

0,335

 

 

6,279

 

 

 

1500

0,244

 

 

4,342

 

 

 

1600

0,163

 

 

2,588

 

 

 

1700

0,105

 

 

1,458

 

 

 

1800

0,0735

 

 

0,757

 

 

 

1900

0,04795

 

 

0,342

 

 

 

2000

0,03335

 

 

0,15412

 

 

 

2100

0,0352

 

 

0,08262

 

 

 

2200

0,03441

 

 

0,04773

 

 

 

2300

0,03502

 

 

0,01926

 

 

 

2400

0,04125

 

 

0,011566

 

 

 

2500

0,06015

 

 

0,003598

 

 

 

2600

0,11043

 

 

0,00316

 

 

 

2700

0,222

 

 

0,007656

 

 

 

2800

0,498

 

 

0,04315

 

 

 

2900

1,65

 

 

0,337

 

 

 

3000

6,4521

 

 

3,483

 

 

 

3100

11,17

 

 

11,763

 

 

 

3200

12,269

 

 

13,036

 

 

 

3300

12,845

 

 

13,422

 

 

 

3400

0,714

 

 

13,775

 

 

 

3500

11,966

 

 

14,085

 

 

Таблица 2. Протокол ко 2-му опыту.

 

 

 

 

 

 

 

d, мм

 

 

1

 

 

 

2

 

0,01

 

5,879

 

8,698

 

0,02

 

2,394

 

 

1,412

 

 

 

0,03

 

1,71

 

 

0,473

 

 

 

0,05

 

0,8255

 

 

 

0,174

 

 

 

0,1

 

0,4293

 

 

 

0,05682

 

 

 

0,2

 

0,2125

 

 

 

0,02327

 

 

 

0,3

 

0,1477

 

 

 

0,015693

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

0,5

0,956

0,009582

1

0,537

0,005072

2

0,3455

0,003215

4

0,343

0,003245

6

Обработка результатов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) Образец CdS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт темновой/световой и фотопроводимости:

 

 

 

 

Световая

 

 

т1

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= = 16 МОм = 0.0625 мкСм

 

 

 

Темновая проводимость:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотопроводимость: с1

 

1

=

 

 

1

0,296 мкСм

 

 

 

=

3,376 МОм

 

 

 

 

проводимость:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Расчёт приведённой

 

ф1 = с1 т1 0.234 мкСм

 

 

 

 

 

 

 

фотопроводимости и отношения приведённой

 

 

ф

= ф

=

0.234 мкСм 1.657 у. е.

 

 

 

фотопроводимости к максимальной:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э

 

 

0,141 у. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ф

 

1.657 у. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29.923 у. е.

 

 

 

 

 

 

Далее заполним таблицу,

вычисляяф

каждую строку также.

 

 

 

 

=

 

 

 

0.15 о. е.

 

 

 

 

Таблица 3. Обработка данных 1-го опыта для 1-го фоторезистора.

 

 

 

Деления

 

 

 

 

R1,

 

 

 

с

 

ф

ф

 

ф

 

барабана

 

 

 

МОм

 

 

 

 

 

600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, о. е.

 

0,476

0,141

 

3,377

 

0,29612082

 

0,23362082

1,65688523

0,014950586

700

0,477

0,143

 

2,7

 

 

0,37037037

 

0,30787037

2,15293965

0,019426638

800

0,478

0,145

 

2,082

 

 

0,4803074

 

0,4178074

2,88143032

0,026000033

900

0,479

0,147

 

1,575

 

0,63492063

 

0,57242063

3,89401792

0,035136923

1000

0,480

0,150

 

1,159

 

0,86281277

 

0,80031277

5,33541846

0,048143124

1100

0,481

0,153

 

0,855

 

1,16959064

 

1,10709064

7,23588656

0,065291633

1200

0,482

0,157

 

0,625

 

 

1,6

 

1,5375

9,79299363

0,088365197

1300

0,484

0,163

 

0,458

 

2,18340611

 

2,12090611

13,0116939

0,117408522

1400

0,487

0,172

 

0,335

 

2,98507463

 

2,92257463

16,9917129

0,153321459

1500

0,490

0,182

 

0,244

 

4,09836066

 

4,03586066

22,1750585

0,200092382

1600

0,494

0,195

 

0,163

 

6,13496933

 

6,07246933

31,1408683

0,280993645

1700

0,499

0,210

 

0,105

 

9,52380952

 

9,46130952

45,0538549

0,406534807

1800

0,505

0,228

 

0,0735

 

13,6054422

 

13,5429422

59,3988692

0,535974289

1900

0,512

0,248

 

0,04795

 

20,8550574

 

20,7925574

83,8409571

0,756522775

2000

0,520

0,270

 

0,03335

 

29,9850075

 

29,9225075

110,824102

1

2100

0,528

0,295

 

0,0352

 

28,4090909

 

28,3465909

96,0901387

0,867050913

2200

0,536

0,323

 

0,03441

 

29,0613194

 

28,9988194

89,7796266

0,810109219

2300

0,545

0,353

 

0,03502

 

28,5551114

 

28,4926114

80,7156129

0,728321832

2400

0,555

0,385

 

0,04125

 

24,2424242

 

24,1799242

62,804998

0,566708839

2500

0,566

0,420

 

0,06015

 

16,6251039

 

16,5626039

39,4347712

0,355832085

2600

0,579

0,460

 

0,11043

 

9,05551028

 

8,99301028

19,5500223

0,176405872

2700

0,594

0,505

 

0,222

 

 

4,5045045

 

4,4420045

8,79604852

0,079369455

2800

0,611

0,560

 

0,498

 

2,00803213

 

1,94553213

3,47416452

0,031348456

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

2900

 

0,629

0,630

 

 

1,65

0,60606061

 

0,54356061

0,86279461

0,007785261

3000

 

0,649

0,710

 

 

6,4521

0,1549883

 

0,0924883

0,13026521

0,001175423

3100

 

0,672

0,830

 

 

11,17

0,08952551

 

0,02702551

0,03256086

0,000293807

3200

 

0,697

0,990

 

 

12,269

0,08150624

 

0,01900624

0,01919822

0,000173231

3300

 

0,725

1,170

 

 

12,845

0,0778513

 

0,0153513

0,01312077

0,000118393

3400

 

0,758

1,370

 

 

0,714

1,40056022

 

1,33806022

0,97668629

0,008812941

3) Расчёт

проводимости и

 

 

= 110,824102

. .

 

0,01316882

0,000118826

3500

 

0,800

1,600

 

 

11,966

0,08357012

 

0,02107012

 

 

 

 

 

 

 

фотопроводимостиф

у е

 

 

 

от ширины щели:

 

 

 

полупроводников в зависимости

 

=

= 5.879 МОм = 0,17 мкСм

 

2 – Фотопроводимость:с1

 

1 – Проводимость на свету:

1

1

 

 

 

 

 

Далее

 

ф1 = с1 Т1

 

= 0,17 мкСм−0,0625 мкСм ≈ 0.0108 мкСм

 

заполним таблицу по аналогии:

 

 

 

 

Таблица 4.Обработка данных 2-го опыта для 1-го фоторезистора

 

 

d, мм

1

 

 

с

 

ф

 

, о. е.

 

0,01

5,879

 

 

 

 

0,170097

0,107596955

0,0025

 

0,02

2,394

 

 

 

 

0,417711

0,355210944

0,005

 

0,03

1,71

 

 

 

 

0,584795

0,522295322

0,0075

 

0,05

0,8255

 

 

 

 

1,211387

1,148887038

0,0125

 

 

0,1

0,4293

 

 

 

 

2,329373

2,266873399

0,025

 

 

0,2

0,2125

 

 

 

 

4,705882

4,643382353

0,05

 

 

0,3

0,1477

 

 

 

 

6,770481

6,707980704

0,075

 

 

0,5

0,956

 

 

 

 

1,046025

0,983525105

0,125

 

 

1

 

0,537

 

 

 

 

1,862197

1,799697393

0,25

 

 

2

 

0,3455

 

 

 

 

2,894356

2,831856006

0,5

 

 

4

 

0,343

 

 

 

 

2,915452

2,852951895

1

Красная граница фотоэффекта для первого фоторезистора – 559 нм.

Мною была замечена неточность (возможно, и неверно) в исходном протоколе 2-го опыта у первого фоторезистора. Предлагаю исправление, как я его вижу, но также оставляю и расчёты по исходным данным (отличие от исходных данных выделено чёрным цветом):

Таблица 5.Обработка данных 2-го опыта для 1-го фоторезистора с предложенным исправлением.

d, мм

1

с

ф

 

, о. е.

 

0,01

5,879

0,170097

0,107596955

0,0025

0,02

2,394

0,417711

0,355210944

 

0,005

 

 

8

 

 

 

0,03

1,71

0,584795

0,522295322

0,0075

0,05

0,8255

1,211387

1,148887038

0,0125

0,1

0,4293

2,329373

2,266873399

0,025

0,2

0,2125

4,705882

4,643382353

0,05

0,3

0,1477

6,770481

6,707980704

0,075

0,5

0,0956

10,46025

10,39775105

0,125

1

0,0537

18,62197

18,55947393

0,25

2

0,03455

28,94356

28,88106006

0,5

4

0,0343

29,15452

29,09201895

1

2) Образец CdSe

Для этого образца таблицы заполнены по аналгии с предыдущим.

Таблица 6. Обработка данных 1-го опыта для 2-го фоторезистора

Деления

 

 

R2,

с

ф

ф

 

ф

 

барабана

 

МОм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ф

 

 

 

 

 

 

 

, о. е.

600

0,476

0,141

14,512

0,068908

0,006408

0,04545

0,000066080

700

0,477

0,143

14,171

0,070567

0,008067

0,05641

0,000082014

800

0,478

0,145

13,626

0,073389

0,010889

0,075097

0,000109183

900

0,479

0,147

12,876

0,077664

0,015164

0,103156

0,000149977

1000

0,480

0,150

12,331

0,081096

0,018596

0,123976

0,000180247

1100

0,481

0,153

11,338

0,088199

0,025699

0,167967

0,000244205

1200

0,482

0,157

9,822

0,101812

0,039312

0,250397

0,000364048

1300

0,484

0,163

8,054

0,124162

0,061662

0,378294

0,000549997

1400

0,487

0,172

6,279

0,159261

0,096761

0,562564

0,000817905

1500

0,490

0,182

4,342

0,230309

0,167809

0,922025

0,001340521

1600

0,494

0,195

2,588

0,386399

0,323899

1,661019

0,002414935

1700

0,499

0,210

1,458

0,685871

0,623371

2,968434

0,004315767

1800

0,505

0,228

0,757

1,321004

1,258504

5,519754

0,0080251

1900

0,512

0,248

0,342

2,923977

2,861477

11,53821

0,016775258

2000

0,520

0,270

0,15412

6,488451

6,425951

23,79982

0,034602248

2100

0,528

0,295

0,08262

12,10361

12,04111

40,81731

0,059343764

2200

0,536

0,323

0,04773

20,95118

20,88868

64,67085

0,094024114

2300

0,545

0,353

0,01926

51,92108

51,85858

146,9082

0,213587883

2400

0,555

0,385

0,01157

86,46031

86,39781

224,4099

0,32626668

2500

0,566

0,420

0,0036

277,9322

277,8697

661,5945

0,961883718

2600

0,579

0,460

0,00316

316,4557

316,3932

687,8113

1

2700

0,594

0,505

0,00766

130,6165

130,554

258,5228

0,375862963

2800

0,611

0,560

0,04315

23,17497

23,11247

41,27227

0,060005222

2900

0,629

0,630

0,337

2,967359

2,904859

4,610887

0,00670371

3000

0,649

0,710

3,483

0,287109

0,224609

0,31635

0,000459938

3100

0,672

0,830

11,763

0,085012

0,022512

0,027123

0,000039434

3200

0,697

0,990

13,036

0,076711

0,014211

0,014354

0,000020869

3300

0,725

1,170

13,422

0,074505

0,012005

0,01026

0,000014917

3400

0,758

1,370

13,775

0,072595

0,010095

0,007369

0,000010713

3500

0,800

1,600

14,085

0,070998

0,008498

0,005311

0,000007722

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

Таблица 7. Обработка данных2ф-

= 687,8113 . .

 

 

 

 

 

у е

 

 

 

 

го опыта для 2-го фоторезистора.

 

 

d, мм

2

с

ф

 

, о. е.

 

0,01

8,698

0,114968958

0,052468958

0,0025

0,02

1,412

0,708215297

0,645715297

 

0,005

0,03

0,473

2,114164905

2,051664905

 

0,0075

0,05

0,174

5,747126437

5,684626437

 

0,0125

0,1

0,05682

17,59943682

17,53693682

 

0,025

0,2

0,02327

42,97378599

42,91128599

 

0,05

0,3

0,015693

63,7226789

63,6601789

 

0,075

0,5

0,009582

104,3623461

104,2998461

 

0,125

1

0,005072

197,1608833

197,0983833

 

0,25

2

0,003215

311,0419907

310,9794907

 

0,5

4

0,003245

308,1664099

308,1039099

 

1

Красная граница фотоэффекта для второго фоторезистора – 591 нм.

3) Графики спектральных зависимостей и световых характеристик:

′ф1ф1

′ф2ф2

Рисунок 1. График спектральной зависимости для 1-го и 2-го фоторезисторов.

10

Соседние файлы в папке ЛР3