МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

Изучение вентильного фотоэффекта

Методические указания к лабораторной работе №7 по физике

(Раздел «Оптика»)

Ростов-на-Дону 2011

УДК 535.21/075.6

Составители: к.т.н., доц. А.А. Андрющенко,

к.ф.-м.н., доц. С.М. Максимов,

ст. препод. Н.Г. Последова

Изучение вентильного фотоэффекта:

Метод. указания. - Ростов н/Д:

Издательский центр ДГТУ, 2010. - 12 с.

В краткой форме рассмотрены процессы, протекающие в контактном слое вентильного фотоэлемента.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика») и ФОИ.

Ил. 3. Библиогр.: 3 назв.

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко

© Издательский центр ДГТУ, 2011

Цель работы:

1. Ознакомление с вентильным фотоэффек­том.

2. Исследование вольтамперных характеристик вентильного

фото­элемента.

Приборы и принадлежности: установка для наблюдения вентильного фотоэффекта.

Краткая теория

Полупроводники (п.п.) – это широкий класс веществ, занимающих промежуточное положение по значению удельной электропроводности между металлами и диэлектриками. Главная особенность полупроводников - их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного полей и др.), при этомможет изменяться до 10⁸ раз. От металлов полупроводники отличаются характером зависимости проводимости от температуры: у металлов она слабо уменьшается, а у полупроводников – существенно увеличивается с ростом температуры, поскольку носители тока в п.п. имеют тепловую природу (чем выше температура п.п., тем носителей тока больше).

В основе описания свойств полупроводников лежит зонная теория проводимости твердых тел. Энергетический спектр электронов (т.е. значения энергии, которую может иметь электрон в кристалле) имеет зонную структуру. Электропроводность кристаллов определяется степенью заполнения электронами самой верхней, заполненной валентными электронами, зоны разрешенных состояний. Эту зону принято называть валентной зоной. Следующая зона разрешенных состояний электронов называется зоной проводимости. В зонах на каждом уровне, согласно представлениям квантовой механики (принципу Паули) может находиться не более двух электронов. Между валентной зоной и зоной проводимости находится энергетический промежуток, в котором электроны находиться не могут - запрещенная зона (ее энергетическую ширину обычно обозначают как ).

При абсолютном нуле (Т=0) зона проводимости свободна и электропроводность полупроводников равна нулю. Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости; каждый такой электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место, так называемую, дырку, рассматриваемую как эквивалентный электрону положительный заряд (). Следовательно, электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне появляются одновременно – парой. Дырка, как и электрон, участвует в электропроводности. Считается, чтопри наличии электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне полупроводник проводит электрический ток. Проводимость п.п., обусловленная носителями, образовавшимися вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.1) называют собственной проводимостью Введение примеси (порядка 0,01%) изменяет энергетическую структуру п.п., в запрещенной зоне появляются локальные (изолированные) энергетические состояния. Если атом примеси имеет валентность большую, чем атомы п.п. (например, примесь As^V в Ge^IV), то один из электронов примеси оказывается слабо связанным с ядром, и уже при малых энергиях возбуждения он может стать свободным (т.е. перейти в зону проводимости). Поскольку электрический ток в этом случае обусловлен в основном движением именно таких, слабо связанных электронов, то говорят, что п.п. обладает электронной (или n-типа) проводимостью, а примесь называется донорной. Введение в кристаллическую решетку п.п. атомов примеси с меньшей валентностью (например, примесь B^III в Ge^IV) приводит к тому, что атом примеси захватывает один из электронов у атома п.п., который может захватить электрон у соседнего атома – возникает дырка. Электропроводность в этом случае будет дырочной (или p- типа), а примесь - акцепторной. Дополнительные энергетические уровни, создаваемые в запрещенной зоне атомами донорной или акцепторной примесей называют соответственно донорными или акцепторными примесными уровнями. Примесные донорные уровни, на которых находятся электроны, располагаются в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости, а акцепторные, на которых находятся дырки - вблизи от верхней границы валентной зоны (рис.2). Электрическая проводимость, осуществляемая за счет электронов, перешедших в зону проводимости с донорных уровней, а в акцепторном – за счет дырок, возникающих в валентной зоне при переходе электронов из валентной зоны на акцепторые уровни получила название примесной проводимости.

Рис. 1. Собственная проводимость полупроводников.

∆Е - ширина запрещенной зоны.

(а ) (б )

Рис. 2. Электронная (а) и дырочная (б) проводимость примесных полупроводников. ∆W_Д и ∆W_А - энергия активации донорного и акцепторного уровней. (Энергия активации – это энергия, которую необходимо передать электронам или дыркам, чтобы перевести их в свободное состояние).

Аналогичные переходы электронов и дырок можно осуществлять и при освещении п.п. Генерация носителей под действием света может осуществляться следующим образом: 1) кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны, передавая им свою энергию , и переводят их из валентной зоны в зону проводимости, при этом в равной степени возрастает концентрация электроновn и дырок p, т.е., одновременно возникает пара носителей заряда – электрон и дырка. При этом должно выполняться условие: .

2) электроны с донорных уровней забрасываются в зону проводимости, что сопровождается увеличением проводимости n–типа. При этом должно выполняться условие : .

3) электроны из валентной зоны переводятся на акцепторные уровни, что приводит к увеличению проводимости p–типа. При этом должно выполняться условие : .

Дополнительная проводимость п.п., возникающая при его освещении, называется фотопроводимостью, а явление увеличения электропроводности п.п. под действием света – внутренним фотоэффектом.