3.4 Теоретический минимум

(к лабораторным работам 3.07 и 3.08)

Образование и характеристики энергетических зон в кристаллах. Заполнение энергетических зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники. Механизм собственный и примесной проводимости полупроводников. Энергетические диаграммы собственных и примесных полупроводников. Зависимость концентрации собственных и примесных носителей полупроводников от температуры. Подвижность носителей в полупроводниках. Зависимость подвижности носителей от температуры. Температурная зависимость проводимости собственных и примесных полупроводников. Энергия активации собственной и примесной проводимости и её определение по графику ln от 1/T.

4. Изучение фотопроводимости в полупроводниках

Лабораторная работа 3.09

Цель работы: определение параметров фотосопротивления ФСК-1 и изучение его вольт - амперной и световой характеристик.

Принадлежности: установка для изучения фотосопротивления ФСК-1, люксметр.

4.1 Теоретическое введение

Способность полупроводников изменять свое электрическое сопротивление под действием света называется фотопроводимостью. Объясняется это явление тем, что фотоны, проникая в глубь полупроводника, вызывают появление избыточных носителей: фотоэлектронов и фотодырок. Увеличение концентрации свободных носителей заряда влечет за собой увеличение проводимости полупроводника. Однако эти носители являются неравновесными: после прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для необлученного полупроводника при данной температуре, называемая “темновой проводимостью”.

С энергетической точки зрения увеличение проводимости полупроводника под действием света можно объяснить следующим образом.

При взаимодействии фотона ε = hν c электроном вещества вся энергия фотона передается электрону. Возбуждение свободного носителя возможно только тогда, когда энергия фотона больше или равна энергии активации свободных носителей заряда в данном полупроводнике: для полупроводника n-типа должно выполняться условие hν ≥ Е_D (рис. 1а), для полупроводника р-типа - hν ≥ Е_А (рис. 1б), для собственных полупроводников - hν ≥ Е_g (рис. 1в).

аб в

Рис.1

Следовательно, существует некоторая граничная частота ν_кр, выше которой фотопроводимость наблюдается, а ниже которой – отсутствует. Минимальная частота или максимальная длина волны, при которой свет является еще фотоэлектрически активным, называется красной границей фотопроводимости.

Для наблюдения примесной фотопроводимости необходимо, чтобы примесные уровни были заполнены. А это возможно лишь в том случае, если температура полупроводника ниже температуры истощения примеси (Т < Т_S).

Приборы, действие которых основано на явлении фотопроводимости, называют фотосопротивлениями (ФС) или фоторезисторами.

Устройство фотосопротивления показано на рис.2. Здесь 1 - полупроводниковый слой, 2 - подложка, 3 - металлические электроды, 4 - защитное лаковое покрытие. Для получения фототока необходимо в цепь последовательно с ФС включить источник постоянного тока (ИПТ).

Рис.2

Фототок представляет собой разность между световым I_СВ и темновым I_Т токами I_Ф = I_CB - I_Т . Важнейшими характеристиками ФС являются: интегральная и спектральная чувствительность, вольт - амперная зависимость, постоянная времени, рабочее напряжение, отношение темнового сопротивления к световому и световая характеристика. Вольт - амперные характеристики ФС (рис.3) линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них. При большем напряжении на ФС вследствие нагрева происходит разрушение светочувствительного слоя.

Рис.3. Рис.4.

Световые характеристики ФС обычно нелинейны (рис.4).

Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока I_T, т.е. тока, протекающего через ФС при отсутствии освещенности.

Интегральная чувствительность ФС определяется как отношение разности токов светового и темнового к световому

потоку, падающему на ФС, при номинальном значении напряжения:

К_Ф = I_Ф/Ф = (I_СВ - I_Т)/Ф, (1)

где Ф - световой поток, определяемый из выражения Ф = E·S; Е - освещенность; S - освещаемая поверхность.

Удельная чувствительность ФС равна отношению фототока к произведению светового потока и приложенного к ФС напряжения U:

К_o=I_Ф/ФU (2)

Спектральная чувствительность ФС определяется величиной фототока при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. Постоянная времени τ характеризует инертность ФС и численно равна времени, за которое фототок уменьшается в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления.

Тепловые свойства ФС определяются температурным коэффициентом фототока (ТКФ). Величина ТКФ находится из температурной зависимости фототока при определенном напряжении и освещенности.

Применяемые на практике ФС изготавливаются из разных полупроводниковых материалов, обладающих большим внутренним фотоэффектом (CdS, CdSe, CdTe, PbS, Se, Ge, Si и других).