Работа №45 изучение внутреннего фотоэлектрического эффекта в запирающем слое

Цель работы. Изучение физических явлений, лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем, определение зависимости фототока от освещенности, снятие кривой спектральной чувствительности фотоэлемента и оценка ширины запрещенной зоны полупровод­ника.

Введение

Основу большинства фотоприемников, используемых в современных оптоэлектронных приборах, составляют диодные структуры. Их основное достоинство - простота устройства, что позволяет достигнуть оптимального сочетания физических и конструктивных параметров прибора и удобства в освоении новых материалов. Поскольку при решении последней задачи, если не всегда удается получить не только транзистор с удовлетворительными характеристиками, но и просто р—п переход, то предпочтение отдается барьеру, возникающему при контакте металла с полупроводником (барьеру типа Шоттки). Изготовление барьеров Шоттки основано на прие­мах стандартной технологии, причем особенно важно, что большинство способов изготовления контактов металл — полупроводник являются низкотемпературными.

Устройство селенового фотоэлемента, изучаемого в настоя­щей работе, представлено на рис. 1. Стальная подложка 1 покрыта слоем 2—3 селена, на который нанесен тонкий полу­прозрачный слой золота 4. Область 3 селена обеднена основ­ными носителями и является запирающим слоем. Стальная подложка и слой золота являются электродами фотоэлемента. Селеновый слой и электроды наносятся путем испарения. Толщина слоя селена 0,1 мм, толщина полупрозрачного золо­того электрода 0,01 мкм. Поверх золотой пленки наносят антиотражающее покрытие из сернистого цинка 5. Это по­крытие вызывает интерференционное гашение лучей, отра­женных от его поверхности и границы с золотом. Селеновые фотоэлементы с запирающим слоем представляют собой при­боры с большим выходным напряжением (до 500 мВ), удов­летворительным КПД (до 1%) и областью максимальной чувствительности в середине видимой части спектра, что делает их наиболее пригодными для цветной и других видов фотометрии. Известно их широкое применение в современных фотоэкспонометрах, что связано с близостью их спектральной характеристики к кривой чувствительности глаза человека.

Барьер типа Шоттки.

Этот потенциальный барьер образуется при контакте металла с полупроводником, в частности, золота с се­леном. Допустим, что между металлом и дырочным полупро­водником создан надежный контакт (рис. 2). На рисунке: Е - энергия “дна” свободной зоны, Е-энергия “потолка” валентной зоны; F, F—уровни Ферми металла и полупроводника, А, А- работы выхода электрона из металла и полупроводника.

Если уровень Ферми изолированного металла Fлежит выше уровня Ферми полупроводника F,- т. е. <, то в первый момент их соприкосновения поток электронов из металла превышает поток электронов из полу­проводника.

Металл заряжается положительно, а полупровод­ник отрицательно, и возникшее между контактирующими образцами электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из металла в полупроводник. Процесс идет до тех пор, пока уровни Ферми с обеих сторон не совпадут, и не установится динамическое равновесие. Контактная разность потенциалов (), возникающая между металлом и полупроводником, определяется из разности работ выхода

(1)

и практически полностью падает в приконтактной области полупроводника. Напряженность электрического поля в приповерхностном слое полупроводника, вызванного контактной разностью потенциалов, искривит его зоны энергии относительно уровня Ферми книзу. Поэтому вблизи контакта число электронов в свободной зоне увеличивается, а число дырок в валентной зоне убывает. Это означает, что в дырочном полупроводнике возникнет запирающий слой (слой с обеднен­ной концентрацией дырок).

Принцип действия фотоэлемента с запирающим слоем

В настоящей установке используется вентильный режим работы фотоэлемента, т. е. без внешнего источника напряже­ния. Образованные под действием света в области запорного слоя полупроводника электронно-дырочные пары (явление внутреннего фотоэффекта) разделяются электрическим полем этого слоя таким образом, что электроны переходят в металл, а дырки остаются в полупроводнике (рис. 2). Поэтому полупроводник заряжается положительно относительно металла, что эквивалентно образованию дополнительного напряжения, включенного в прямом направлении. Это напряжение называется фотоэдс. В работе измеряется фототок в цепи, нагру­зочным сопротивлением которой служит сопротивление галь­ванометра. Поскольку оно мало, то этот ток можно считать током короткого замыкания фотоэлемента.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках происхо­дит поглощение фотона с энергией, достаточной для перехо­да электрона из валентной зоны в свободную зону, что при­водит к образованию пары электрон-дырка. Число электронно-дырочных пар, генерируемых в единичном объеме по­лупроводника за одну секунду фотонами с энергией по определению есть скорость генерации G. Получим выражение для скорости генерации.

Известно, что интенсивность монохроматического света I на глубине х связана с интенсивностью на поверхности по­лупроводника Iсоотношением

, (2)

где —линейный показатель поглощения света. Количество световой энергии, поглощаемой за 1 с в слое единичной пло­щади толщиной dx определится как

. (3)

Энергия, поглощаемая в единичном объеме за 1 с тогда равна

. (4)

Число поглощенных квантов в единичном объеме за 1 с опре­делится отношением

Число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, называетсяквантовым выходом. Тогда скорость генерации G на расстоянии х от поверхности полупроводника может быть выражена как

. (5)

Здесь было предположено, что отражения от поверхности по­лупроводника нет.

Из этого выражения видно, что G наиболее сильно зави­сит от , а так как зависит от энергии квантов падающего излучения, то скорость генерации различна для разных длин волн последнего.

При собственном поглощении света (рис. 3, переходы 1, 2) полупроводником показатель поглощения велик, и мы можем при­нять, что вся световая энергия поглощается в области запирающего слоя x. Минимальная энергия фотонов, при кото­рой начинается собственное поглощение в полупроводниках, определяется минимальным энергетическим зазором между валентной и свободной зоной, т. е. шириной запрещенной зоны. Форма края кривой собственного поглощения зависит от вероятности переходов и плотности начальных и конечных электронных состояний. Длинноволновый край собственного поглощения неметаллических кристаллов из-за наличия экситонного поглощения и возможных непрямых переходов обыч­но “размыт”, поэтому для оценки ширины запрещенной зоны часто используют значение энергии кванта света, полученное путем экстраполяции спектральной характеристики коэффи­циента поглощения в область малых энергий фотона.

Естественно, что по мере роста энергии фотона при его поглощении вероятность перехода электрона из валентной зоны в свободную должна возрастать, что ведет к увеличе­нию фототока. Однако, при возрастании энергии фотона (уменьшении длины волны) поглощение света происходит во все более тонком приповерхностном слое полупроводника, где велики концентрация электронов и плотность поверхност­ных центров рекомбинации. Первая снижает вероятность об­разования пары электрон-дырка, вторая усиливает процессы поверхностной рекомбинации носителей заряда. То и другое приводят к “завалу” спектральной характеристики тока фотопроводимости в области больших энергий фотона.

Влияние освещенности на величину фототока фотоэлемента

Освещенностью Е плоской поверхности называется отно­шение светового потока Ф, нормально падающего на эту по­верхность, к ее площади S:

, лк=лм/м. (6)

Когда известна сила света I* точечного источника, кото­рый освещает поверхность, находящуюся на расстоянии r от него, то освещенность вычисляется по формуле

(7)

где —угол между нормалью к поверхности и лучом.

При низком уровне освещенности концентрация возбуж­денных светом носителей мала по сравнению с концентрацией равновесных носителей, и времена жизни и концентрации свободных носителей независимы друг от друга. При таком условии величина фототока прямо пропорциональна освещен­ности I~ E. По мере роста освещенности фототок растет как дробная степень освещенности с показателем степенип, причем значение п лежит в пределах от 0,5 до 1, т. е. I~Е.

Такая зависимость означает, что время жизни свободных носителей уменьшается с увеличением освещенности, т. е. становится зависимым от концентрации свободных носителей.

Измерительная установка.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4. Фотоэлемент ФЭ находится в левой части горизонтально расположенного корпуса прибора. На торцевой части корпуса размещены две клеммы, к которым подведены выводы от фотоэлемента (к этим же клеммам присоединяется микроамперметр). Фотоэлемент можно вращать вокруг горизонтальной оси (максимальный угол поворота 90°) при помощи рукоятки, рядом с которой укреплена шкала, служащая для измерения угла поворота фотоэлемента. Нулевому положению рукоятки соответствует вертикальное распо­ложение фотоэлемента.

В нижней части откидной крышки корпуса прибора укреплена шкала, предназначенная для измерения расстояний между фотоэлементом и источником света. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента. Внутри корпуса имеются несколько защитных ребер, которые предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей. Черная матовая окраска внутренней части корпуса защищает фотоэлемент от световых бликов. Внутри корпуса прибора на стойке закреплены собирающая линза Л и лам­почка накаливания ЛН. Стойка с линзой и лампочкой может передвигаться вдоль оси корпуса в пределах длины шкалы. На подставке прибора расположен тумблер Т, с помощью которого включается лампочка накаливания. В левую часть корпуса (справа от фотоэлемента) можно вставлять необхо­димые светофильтры Ф, которые фиксируются в вертикаль­ном положении специальным винтом.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1.

Определение зависимости фототока фотоэлемента от освещенности.

Известно, что освещенность поверхности зависит от угла падения на нее света каке, где- освещенность при нормальном падении лучей. Экспериментально снимают зависимость фототока от освещенности, которую изменяют путем варьирования угла падения лучей.

1. Рукоятку фотоэлемента ставят на нуль шкалы угломера.

2. Лампочку с линзой устанавливают на минимальном расстоянии (6 см) от фотоэлемента.

3. Включают лампочку накаливания и записывают начальное показание микроамперметра I.

4. Изменяя угол падения лучей на фотоэлемент, через 10°, записывают значения фототока I. Ввиду невысокой точности угломера зависимость величины фототока от угла падения лучей снимается несколько (3—5) раз. Вычисляется среднее значение фототока для каждого угла и заносится в таблицу 1.

Обработка результатов измерений.

Поскольку величина фототока прямо пропорциональна величине освещенности в степени п, где п может принимать значения от 0,5 до 1, то I~, и, следовательно, отношение фототока при произвольном угле падения Iк фототоку при нормальном падении Iравно:. Логарифмируя обе части последнего соотношения, получаем

. (7)

Построив график зависимости от, определить по наклону прямойп.

Таблица 1

Результаты измерений фототока при различных освещенностях фотоэлемента

, град	сos	Iф, мкА					Iфср, мкА	Lg(Iфср)	Lg(cos)
		1	2	3	4	5
0
10
20
...
90

Упражнение 2.

Снятие спектральной характеристики фотоэлемента и оценка ширины запрещенной зоны полупроводника.

Спектральной характеристикой фотоэлемента называют зависимость его тока короткого замыкания от длины световой волны или энергии фотона при условии постоянства падающего на фотоэлемент в одну секунду числа фотонов при всех длинах волн .

Изменение длины волны света, падающего на фотоэлемент, производится в данной работе при помощи набора светофильтров.

1. Для снятия спектральной характеристики источник света устанавливают на минимальном расстоянии (6 см) от фотоэлемента.

2. Поочередно меняя светофильтры, записывают показания микроамперметра Iфо.

3. Ввиду того, что интенсивность света лампы накаливания различна для разных длин волн, при построении графика зависимости фототока от длины волны падающего света необходимо делать поправку, учитывающую распределение энергии в спектре излучения вольфрамовой нити, нагретой до определенной температуры. же энергии светового потока, необходимо их поделить на соответствующие коэффициенты А, указанные в таблице для каждого из светофильтров. Кроме того, используемые светофильтры различаются оптической плотностью. Поэтому измеренные для различных длин волн фототоки Iфо необходимо еще поделить на соответствующие коэффициенты В, указанные в таблице 2.

4. Число фотонов, падающих на единицу площади поверхно­сти фотоэлемента в единицу времени N равно интенсивности света, деленной на энергию единичного фотона ,при условии нормального падения, то есть

, (8)

где с—скорость света, h — постоянная Планка (). При постоянной интенсивности света I, как видно из этого выражения, число фотонов N прямо пропорционально длине волны. Чтобы число фотонов, падающих на единицу площади фотоэлемента в единицу времени, не зависело от длины волны, необходимо было бы поделить обе части этого выражения на, то есть ввести

.

Вместо этого, достаточно поделить соответствующее каждому светофильтру значение тока Iфо не только на коэффициенты А и В, но и на длину волны , т. е. вычислить . Это справедливо потому, что интенсивность каждого монохрома­тического излучения мала и соответствующий фототок прямо пропорционален ей.

5. Спектральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение фототока короткого замыкания к числу падающих на него в единицу времени квантов света определенной длины волны , т. е.

,

где S - площадь освещаемой поверхности фотоэлемента.

Относительной спектральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение к наибольшей для рассматриваемого диапазона длин волн чувствительности, т.е.. В нашем случае относительная спектральная чувствительность может быть вычислена по формуле

.

Это обусловлено тем обстоятельством, что при нашей обработке экспериментальных данных число фотонов, падающих на поверхность фотоэлемента в единицу времени одно и то же для всех длин волн.

Следует иметь в виду, что не все генерированные светом носители участвуют в образовании фотоэдс. Структура фотоэлемента может влиять на КПД преобразования световой энергии в электрическую. Поэтому длинноволновый край спектральной чувствительности фотоэлемента смещен в сто­рону более коротких волн относительно таково же для спек­тральной чувствительности фотопроводимости и коэффициен­та поглощения. Поэтому по красной границе спектральной чувствительности фотоэлемента можно провести лишь оценку максимальной величины ширины запрещенной зоны полупро­водника.

Обработка результатов измерений

1. Вычислить энергию фотона излучения, пропускаемого каждым светофильтром и занести в таблицу 2.

2. Измерив значение фототока для отдельного светофильтра, поделить его на коэффициенты А и В и соответствующую длину волны, занести в таблицу 2.

3. Вычислить относительную спектральную чувствитель­ность для каждой длины волны и занести в таб­лицу.

4. Построить график зависимости относительной спектральной чувствительности от энергии фотона.

5. Построив касательную к низкоэнергетическому склону кривой этой зависимости и продолжив ее до пересечения с осью абсцисс, определить длину волны , а затем оценить ширину запрещенной зоны полупроводника по формуле

Рассчитав ширину запрещенной зоны в Дж, затем перевести в эВ ( 1эВ = 1,6Дж.