Лабораторна робота № 6-7 Розробка: В.О. Омельяненко, Н.Л.Дон, Г.П.Чуйко

Лабораторна робота № 6–7

Визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідникових фотоелементах

Мета роботи:	ознайомитися з одним методом визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідникових фотоелементах.
Обладнання:	лабораторна установка для визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідникових фотоелементах, осцилограф.

Теоретичні відомості

Електричний струм провідності в напівпровідниках є впорядкованим рухом електронів або/та дірок. Питому електропровідність напівпровідникового зразку визначають співвідношенням

(1)

де – елементарний заряд – концентрація відповідно електронів та дірок – рухливість відповідно електронів та дірок.

За будь-якої температури внаслідок взаємодії носіїв зарядів з кристалічною граткою у напівпровідниках встановлюється деяке рівноважне значення концентрацій електронів та дірок . Ці носії струму (заряду) називають рівноважними. Додатковим освітленням чи опроміненням зразків іонізуючим випромінюванням можна генерувати так звані нерівноважні носії зарядів . Внаслідок цього темнова питома електропровідність може зростати на певну величину : . Додаткова нерівноважна провідність , що виникає внаслідок освітлення зразка, називається фотопровідністю.

При освітленні у напівпровіднику утворюються електронно-діркові пари, які внаслідок рекомбінації через деякий час взаємно нейтралізуються, зникають (аннігілюють). Стала інтенсивність освітлення зразка забезпечує встановлення у ньому деякої стаціонарної концентрації нерівноважних електронів , дірок і, через те, фотоструму . До того ж при наданні ступінчастого імпульсу світла на зразок всі ці значення встановлюються не миттєво, а зростають за експоненціальним законом. Так, для концентрації електронів ця залежність наступна:

(2)

для фотоструму

(3)

де – характерний час генерації нерівноважних пар (електрон+дірка).

На рис. 1 експоненціальне зростання фотоструму (3) показано на фоні ступінчатої форми світлового імпульсу суцільною лінією. Під час різкого ступінчастого припинення освітлення зразку фотострум зникає так само не миттєво, а за експоненціальним законом :

(4)

адже

(5)

де – характерний час релаксації, який характеризує середній час життя нерівноважних носіїв.

Характер зміни фотоструму під час затемнення зразку показано на рис. 2.

Якщо досліджуваний напівпровідниковий зразок (фотоелемент) освітлювати прямокутним фотоімпульсом (мал. 3, а), то сигнал фотоструму буде мати експоненціальні за формою передній та задній фронти: (мал. 3, б).

Розглянемо криву зростання фотоструму, що описується виразом (3). За час , фотострум збільшується в разів, де (основа натурального логарифма). Тому для визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідниковому фотоелементі необхідно визначити час , за який фотострум збільшується в разів. Це можна зробити за допомогою осцилографу.

Аналогічно, розглянемо криву спаду фотоструму, що описується виразом (4). За час , фотострум зменшується в разів, де (основа натурального логарифма). Тому для визначення часу життя нерівноважних носіїв заряду в напівпровідниковому фотоелементі необхідно визначити час , за який фотострум зменшується в разів.

Опис експериментальної установки

Лабораторна установка складається з окремого блока, що живиться від двох джерел живлення. Вона дозволяє досліджувати два типи напівпровідникових фото резисторів: ФСК, виготовленого на основі кремнію та ФСГ, виготовленого на основі германію .

Світловий потік створюється за допомогою випромінюючих світло діодів із вбудованими в них генераторами прямокутних імпульсів протяжністю та періодом повтору .

Принципова схема установки наведена на рис.4 Основні елементи схеми:

• В1 – джерело напруги постійного струму для живлення напівпровідникових фоторезисторів

• В2 – джерело живлення постійного струму для живлення випромінюючих світло діодів АЛ-1 та АЛ-2

• Т1 та Т2 – тумблера ввімкнення джерел живлення В1 та В2

• Т3 – тумблер перемикання різних типів напівпровідникових фото резисторів

• R1 та R2 – резистори навантаження для зняття сигналів та подання їх на входи “Х” та “Y” осцилографа.

Порядок виконання роботи :

1. Вивчити принцип дії лабораторного обладнання, зясувати призначення елементів управління.

2. Підключити пристрій та осцилограф в мережу і ввімкнути їх.

3. На осцилографі в режимі очікування отримати осцилограму досліджуваного сигналу.

4. За допомогою регуляторів каналів “Х” та “Y” осцилографа отримати зручну для спостереження осцилограму досліджуваного сигналу.

5. Замалювати осцилограми фотоструму для обох типів напівпровідникових фоторезисторів, застосовуючи сітку шкали осцилографа.

6. Вимкнути тумблера Т1 та Т2. Вимкнути живлення пристрою та осцилографа.

Обробка результатів

1. На осцилограмах провести горизонталі, що відповідають збільшенню та зменшенню фотоструму в разів в точках перетину їх з кривою фотоструму визначити значення часу та для обох типів напівпровідникових фоторезисторів.

2. Враховуючи сітку шкали осцилографа, визначити час генерації та рекомбінації носіїв заряду та для обох типів напівпровідникових фоторезисторів.

3. Дані занести в таблицю 1.

Зразок
ФСК
ФСГ

Порівняти отримані дані та зробити висновок.

Контрольні запитання

1. Пояснити механізм провідності напівпровідників.

2. Які носії заряду називаються рівноважними?

3. Яким чином в напівпровіднику можна генерувати нерівноважні носії заряду?

4. Від чого залежить час генерації нерівноважних носіїв заряду?

5. Пояснити зміст параметра “час життя нерівноважних носіїв заряду”.

6. Як змінюється фотострум під час подачі ступінчастого фотосигналу?

Література

1. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высш. шк., 1977.

2. Павинский П.П. Введение в теорию твёрдого тела. Учеб. пособие. – Изд-во Ленингр. ун-та, 1979.-256с.

3. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.: Физматгиз, 1963.

©2004

- 4 -