8

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени А.Н. Туполева

Кафедра общей физики

Лабораторная работа № 95К

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ

Казань 2003

Цель работы: изучение спектральных характеристик полупроводниковых фотосопротивлений.

Внутренний фотоэффект. Фотосопротивления.

В полупроводниках переходы носителей заряда между энергетическими уровнями могут происходить не только вследствие теплового движения, но и под воздействием излучения. Если энергия кванта света – фотона Е=h, где  - частота света, h – постоянная Планка, превышает ширину запрещенной зоны, то поглотивший фотон электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Это явление называется внутренним фотоэффектом.

В случае, когда в веществе имеются примеси, под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. В первом случае возникает дырочная проводимость, во втором – электронная проводимость. После того, как прекратится освещение полупроводника, образовавшиеся под действием света свободные электроны и дырки рекомбинируют и в полупроводнике остаются только свободные носители заряда, возбужденные тепловыми колебаниями. Эти носители обусловливают некоторую проводимость полупроводника в отсутствие освещения – темновую проводимость.

Таким образом, не всякий фотон может вызвать внутренний фотоэффект, т.е. вызвать переход носителей заряда через запрещенную зону или с примесных уровней. Возбуждение свободного носителя фотоном возможно только тогда, когда энергия фотона больше или равна энергии активации свободных носителей заряда. Для собственных полупроводников должно выполняться условие h ΔЕ, а для примесных - h ΔЕ_пр. Следовательно, существует некоторая минимальная граничная частота _гр , при которой фотопроводимость еще наблюдается. При частотах, меньших_гр , фотопроводимость отсутствует. Эта граничная частота называется красной границей фотоэффекта. Можно использовать и величину длины волны = с/ (с-скорость света). Тогда _кр – красная граница фотоэффекта – максимальная длина волны, при которой еще наблюдается фотоэффект. Т.к. энергия, необходимая для создания свободных носителей заряда в собственных полупроводниках (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале энергий от нескольких десятых электронвольт до его долей, то красная граница фотоэффекта для них лежит в видимой или инфракрасной области спектра.

Для собственных полупроводников

, (1)

для примесных полупроводников

. (2)

Добавочная проводимость полупроводника, приобретенная им при облучении светом, называется фотопроводимостью.

Фотосопротивление – это полупроводниковый прибор, действие которого основано на явлении фотопроводимости. У стройство полупроводникового

Рис. 1. Устройство полупроводникового фотосопротивления.

фотосопротивления схематически показано на рис. 1. Тонкий полупроводниковый слой 2 наносится (напылением в вакууме или химическим осаждением) на изолированную подложку 4. По краям слоя 2 напылением в вакууме наносятся металлические электроды 1. Наружная поверхность светочувствительного полупроводникового слоя покрывается тонким слоем прозрачного лака 3 для защиты от внешних воздействий (влага, пыль, газы).

Вольтамперная характеристика показывает зависимость силы тока, протекающего через фотосопротивление, от приложенного напряжения, при постоянном световом потоке, падающем на фотосопротивление. У большинства фотосопротивлений вольтамперные характеристики линейны, если напряжение на нем не превышает рабочего.

Интегральная чувствительность К определяется отношением фототока I_ф , протекающего через фотосопротивление, к величине светового потока Ф, падающего на него при постоянном рабочем напряжении U, приложенном к фотосопротивлению:

К= I_ф/ U ( А/лм) (3 )

Величина фототока определяется по формуле

I_ф= I – I_т (4)

где I- сила тока, протекающего через фотосопротивление при падении на него светового потока Ф при напряжении U, I_т - сила тока при том же напряжении, но в темноте ( когда на фотосопротивление не падает световой поток).

Световая характеристика фотосопротивления – это зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление. Световая характеристика не является линейной (рис.2), что свидетельствует о сложном характере явлений, происходящих при фотоэффекте.

Рис. 2

Спектральная чувствительность К_λ определяется как отношение фототока dI_ф , протекающего через фотосопротивление, к величине светового потока dФ в диапазоне изменения длины волны от λ до λ +dλ. В случае монохроматического света она равна отношению фототока I_ф к величине светового потока Ф при заданной длине волны, т.е.

К_λ = I_ф/ Ф( А/лм) . (5)

В частном случае Ф=const из (5) получается К_λ = сI_ф(λ ) или

К_λ = f(λ ) . (6)

О характере этой сложной зависимости можно судить по спектральным характеристикам монокристаллов CdS(Cu) и CdS(Ag), активированных медью и серебром (рис.3) (под активированием фотосопротивления понимается добавка примеси, повышающей его чувствительность). С уменьшением длины волны падающего света спектральная чувствительность сначала возрастает, затем достигнув максимума, начинает убывать. Из спектральной характеристики легко определить красную границу фотопроводимости. Первоначальное возрастание спектральной чувствительности при увеличении энергии фотонов объясняется тем, что в этом случае могут быть переведены в зону проводимости не только электроны, расположенные около верхней границы валентной зоны, но и электроны, находящиеся на более низких энергетических уровнях. Дальнейшее замедление подъема кривой и её спад при уменьшении длины волны объясняется следующим образом. Согласно квантовым представлениям поток света целиком передаёт свою энергию электрону. Часть этой энергии, равная энергии активации, расходуется на перевод электрона в зону проводимости. Избыток же энергии (h-ΔE) сообщает электрону дополнительную кинетическую энергию. Эта энергия передаётся электроном решетке кристалла, т.е. идёт на нагревание кристалла. Поэтому фотоны с большими энергиями становятся малоэффективными , так как

Рис. 3

только небольшая часть их энергии затрачивается на внутренний фотоэффект, остальная же энергия расходуется на нагревание. Кроме того, с уменьшением длины волны падающего света при λ_кр>λ быстро возрастает коэффициент поглощения фотосопротивления. Это приводит к тому, что свет поглощается в очень тонком поверхностном слое, уменьшение сопротивления которого не вносит существенного вклада в объёмное сопротивление всего полупроводника. Вместе с тем возбужденные в поверхностном слое неосновные носители, диффундируя внутрь полупроводника, будут рекомбинировать с основными носителями примесного полупроводника, что приводит к увеличению его сопротивления. Последние обстоятельство объясняет наблюдаемый иногда на опыте так называемый отрицательный внутренний фотоэффект, при котором освещение полупроводника вызывает увеличение, а не уменьшение сопротивления полупроводника.

Спектральная характеристика– это зависимость величины фототока от длины волны падающего света при постоянной величине светового потока и неизменном напряжении.

Описание установки

Схема установки для выполнения работы предоставлена на рис.4. Исследуемое фотосопротивление включено в цепь постоянного тока, получаемого от выпрямителя В. Напряжение, подаваемое на фотосопротивление, можно плавно менять с помощью потенциометра R. Освещение фотосопротивления производится с помощью лампы накаливания Л. Фотосопротивление и лампа накаливания помещены в светонепроницаемый кожух (контуры которого изображены на рис.4 штриховой линией) для того, чтобы на фотосопротивление не падал свет от посторонних источников.

Рис. 4

Длину световой волны, падающей на фотосопротивление, можно изменять посредством выбора светофильтров СФ. Напряжение, подаваемое на фотосопротивление, измеряется вольтметром V, а сила тока, протекающего через него - микроамперметром мкА.

Темновой ток и фототок отличаются друг от друга на несколько порядков. Для того чтобы эти разные по величине токи можно было измерять одним и тем же прибором, микроамперметр снабжён шунтом R_ш. Шунт понижает чувствительность прибора при изменении фототока, он автоматически подключается к прибору при замыкании ключа K₁ (эта связь условно изображена на рис.3 пунктирной линией). При изменении темнового тока шунт отключается от прибора.