Цель работы.

Изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

Основные теоретические положения.

Явление уменьшения электрического сопротивления вещества под действием излучения было открыто в 1873 г. Его причиной является перераспределение электронов по энергетическим состояниям в полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием света, которое впоследствии было названо внутренним фотоэффектом.

Состояния электронов в атоме характеризуются только вполне определенными значениями энергии, которые называют энергетическими уровнями. Если энергетическая зона заполнена электронами не полностью, то ее электроны при наложении электрического поля могут создавать ток. При переходе из валентной зоны в зону проводимости электрон становится носителем тока (отсюда и название зоны). Однако и образовавшееся при этом свободное состояние валентной зоны (дырка) ведет себя как свободный носитель тока.

В результате одновременно протекающих процессов тепловой генерации и рекомбинации в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и ni дырок pi, зависящая от температуры и ширины запрещенной зоны. Для собственного полупроводника (т. е. полупроводника, свободного от примесей) эти концентрации можно считать равными. Собственная концентрация носителей заряда обусловливает так называемый темновой ток (ток в отсутствии освещения).

Для полупроводников электропроводность определяется выражением:

= + = ( + )

При освещении полупроводника светом с энергией фотонов

> ∆ = − появляется дополнительный механизм генерации носителей заряда – фотогенерация, который приводит к возникновению избыточной концентрации электронов n и дырок p, относительно равновесной ni и pi, и, следовательно, к увеличению проводимости полупроводника.

При отсутствии освещения в цепи протекает темновой ток Iт, 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 . Для фототока получаемфзависимость= −2 ln( ):+ ln( 1)ф

По этой зависимости находим .

Описание установки:

Экспериментальная установка для исследования внутреннего фотоэффекта изображена на рис. 12.3, где ФС – фотосопротивление (типа ФС

– Al); PU – вольтметр; РА – микроамперметр; R – реостат; Sэ– эталонная лампа накаливания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптической скамье.

Теоретические вопросы ЛР12

30. Объясните электропроводность полупроводников. Как влияет на электропроводность освещение полупроводника светом?

Полупроводники – материалы, стоящие по величине удельногосопротивления между проводниками и диэлектриками – такие материалы, как кремний, германий, теллур и др. С ростом температуры проводимость полупроводников растёт,противоположно металлам, у которых она с ростом температуры падает.

Рассмотрим механизм протекания тока на примере кристалла германия. В обычном состоянии атомы германия содержат на своей внешней оболочке четыре валентных электрона — четыре электрона, которые слабо связаны с ядром. При этом каждый атом в кристаллической решетке германия окружен четырьмя соседними атомами. И связь здесь ковалентная, это значит, что она образуется парами валентных электронов.

Получается, что каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум атомам,и связи валентных электронов внутри германия с его атомами сильнее нежели в металлах. Вот почему при комнатной температуре полупроводники на несколько порядков хуже проводят ток по сравнению с металлами. А при абсолютном нуле все валентные электроны германия были бы заняты в связях и свободных электронов для обеспечения тока не осталось бы.

С ростом температуры часть валентных электронов приобретает энергию, которой становится достаточно для нарушения ковалентных связей. Так возникают свободные электроны проводимости. В областях разрыва связей образуются своеобразные вакантные места - дырки, свободные от электронов.

Эту дырку может легко занять валентный электрон из соседней пары, тогда дырка как бы сместится на место у соседнего атома. При определенной температуре в кристалле образуется некоторое количество так называемых электронно-дырочных пар.

Одновременноидетпроцесс рекомбинации электронов сдырками — дырка, встречаясь сосвободным электроном, восстанавливаетковалентную связьмежду атомами в кристалле германия. Такие пары, состоящие из электрона и дырки, могут возникать в полупроводнике не только от температурного действия, но и при освещении полупроводника, то есть за счет энергии падающего на него электромагнитного излучения.

Если внешнее электрическое поле к полупроводнику не приложено, то свободные электроны и дырки участвуют в хаотичном тепловом движении. Но когда полупроводник помещается вовнешнее электрическое поле,электроныи дырки начинают двигаться упорядоченно. Так рождается ток в полупроводнике.

17. Нарисуйте вольт-амперную характеристику для фототока для двух разных освещенностей. Объясните эти зависимости.

При малых напряжениях характеристика сверхлинейна из-за явлений на контактах между отдельными зернами фоточувствительного слоя имежду полупроводниковым слоем и выводами фоторезистора. Если напряжение мало, оно практически полностью падает на этих контактах, так как их сопротивления в основном определяют общее сопротивление фоторезистора. Поэтому напряженность электрического поля на контактах оказывается большой. Из-за эффекта сильного поля или из-за разогрева приконтактных областей сопротивление падает с ростом напряжения, вызывая сверхлинейный рост тока. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление фоторезистора определяется уже объемным сопротивлением зерен фоточувствительного слоя, поэтому остается практически постоянным, что соответствует линейному участку ВАХ. При больших напряжениях ВАХ опятьстановится сверхлинейной из-за разогрева фоточувствительного слоя. С ростом светового потока наклон ВАХ пропорционально увеличивается до тех пор, пока изменение времени жизни носителей или разогрев полупроводника не повлияютна фотопроводимость.

Обработка ЛР 12

1. Графики зависимости темнового тока,тока и светового тока на фотосопротивлении от напряжения. Освещённость 625 лк.

2. Графики зависимости фототока от освещённостидля напряжений 15 и 10 вольт соответственно. На 15вольтах аномальное платообразуется из-за того,что прибор не может показать больше 100 вольт,и за верхнюю границу приходится брать 100 вольт,а на самом деле напряжение больше.