Экспериментальные результаты

№

7. По окончании работы отключить установку от сети.

8. Режим работы установки прерывистый – через каждые 2 часа работы делается перерыв на 10-15 мин.

6. обработка экспериментальных результатов

1. По данным таблицы 5.1. с помощью обычной методики рассчитать среднее значение

2. Для каждого измерения определить отклонение от среднего Затем рассчитать среднее значение где n – число проведенных измерений.

3. Записать окончательный результат определения потенциала ионизации в виде Сравнить полученную величину с табличным значением потенциала ионизации криптона.

7. Контрольные вопросы

1. Объясните физическую суть планетарной (ядерной) модели строения атома.

2. Сформулировать и пояснить физический смысл постулатов Бора.

3. Что называют возбуждением атомов и ионизацией атомов?

4. Поясните схему и принцип действия лабораторной установки.

5. Почему крутизна вольтамперной характеристики резко увеличивается, когда ускоряющее напряжение превышает потенциал ионизации атомов?

8. Литература

1. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. – М.: Наука, 2008.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

3. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

4. Савельев И.В. Курс общей физики: в 5 кн. – М.: Наука. Физматлит, 2007. – Кн. 5.

5. Матвеев А.Н. Атомная физика. — М.: Высшая школа, 2004.

лабораторная работа № 5

«Определение времени жизни неосновных носителей заряда»

1.Цель работы

Цель лабораторной работы – изучить один из методов определения времени жизни неосновных (неравновесных) носителей заряда в полупроводниках.

1. Приборы и принадлежности для проведения эксперимента:

11. электронный осциллограф;

12. электрический мотор с модуляционным диском;

13. полупроводниковый фотоэлемент;

14. лампочка для освещения фотоэлемента;

15. соединительные провода.

3. Теоретическая часть

Твердые тела по своим электрическим свойствам делятся на металлы (проводники), диэлектрики и полупроводники. Полупроводниками являются такие элементы, как германий , кремний , селен , теллур , и другие.

Существенным отличием полупроводников от металлов является смешанный механизм проводимости: при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне появляются вакантные места (дырки), на которые могут переходить электроны с более низких энергетических уровней валентной зоны. Образование дырки эквивалентно появлению в данном месте нескомпенсированного положительного заряда. Происходит хаотичное движение электронов и дырок по кристаллу, которое при наложении внешнего электрического поля становится упорядоченным. При этом электроны двигаются против поля, а дырки — по полю. При встрече электрона и дырки электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, теряет подвижность и становится несвободным. Процесс одновременного исчезновения электрона и дырки называется рекомбинацией. Таким образом, в собственных полупроводниках одновременно происходят два конкурирующих процесса: генерация (возникновение) электронно-дырочной пары и рекомбинация (парное исчезновение). При этом вероятность образования электронно-дырочной пары увеличивается с ростом температуры, а вероятность рекомбинации зависит от концентрации электронов и дырок.

Проводимость, обусловленная движением электронов, называется электронной, или n-типа (negative), обусловленная дырками — дырочной проводимостью, или р-типа (positive). Собственная проводимость складывается из электронной и дырочной проводимостей, при этом концентрация электронов строго равна концентрации дырок.

Концентрация носителей заряда (электронов и дырок), соответствующая этому термодинамическому равновесию, называется равновесной концентрацией носителей тока. Если состояние полупроводника отлично от термодинамически равновесного, т.е. полупроводник находится под воздействием электромагнитных волн (света), температуры, излучения и т.д., то состояние полупроводника называется неравновесным. Возникающие при этом дополнительные (избыточные) носители заряда называются неравновесными или неосновными носителями. Именно неравновесные носители заряда определяют действие важнейших полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, термисторов, фоторезисторов, фотоэлементов, кристаллических счетчиков и т.д.

Дополнительная проводимость, возникающая в полупроводнике при освещении его светом, называется фотопроводимостью. Поскольку наряду с генерацией неравновесных носителей, имеет место и обратный процесс – их рекомбинация, то спустя некоторое время после начала освещения устанавливается некоторое стационарное значение концентрации носителей заряда, которое соответствует равновесному состоянию полупроводника. Иными словами, при прекращении действия света фотопроводимость, вызванная образованием неравновесных носителей, через некоторое время исчезает. Кривые нарастания и спада неравновесной проводимости называются кривыми релаксации фотопроводимости.

Изучение кривых релаксации позволяет определить один из важнейших параметров, характеризующих фотопроводимость, – время жизни неравновесных носителей. Среднее время, которое проходит между встречами электрон с дыркой , называется средним временем жизни неравновесного носителя.

Данная лабораторная работа посвящена определению времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках. Если в некоторый момент времени на полупроводниковый фотоэлемент воздействовать электромагнитным излучением (светом), то число образующихся за единицу времени в единице объема неравновесных электронов и дырок будет пропорционально интенсивности падающего света :

.

Здесь – интенсивность света, – коэффициент поглощения света, – квантовый выход (число электрон–дырочных пар, образуемых под действием одного кванта света).

Если скорость рекомбинации пропорциональна первой степени концентрации (линейная рекомбинация), то изменение концентрации неравновесных носителей при освещении определяется соотношением:

.(3.1)

Решая это уравнение с учетом начальных условий, получаем

,(3.2)

где – равновесная концентрация носителей заряда.

При прекращении действия света на фотоэлемент, уменьшение неравновесной концентрации происходит по закону:

.(3.3)

Решением этого уравнения является соотношение:

.(3.4)

Так как фототок в полупроводнике определяется соотношением:

(3.5)

(здесь – подвижность носителей, – напряженность поля, – сечение полупроводника, – концентрация неосновных носителей) то, с учетом соотношения (3.2), получим закон релаксации фототока после прекращения действия света на фотоэлемент:

,(3.6)

где – максимальная величина фототока, возникающего при освещении фотоэлемента.

Время жизни неосновных (неравновесных) носителей тока можно определить, например, зная за какой промежуток времени величина фототока уменьшается в раз ( – основание натурального логарифма). Тогда по закону релаксации фототока:

.

Очевидно, что при этом время и будет равно времени жизни неравновесных носителей тока , поскольку

.

4. Описание схемы эксперимента

Экспериментальная установка состоит из электромотора (ЭМ) исследуемого полупроводникового фотоэлемента (ФЭ), осветителя (Л) и электронного осциллографа (С1–65).

Для модуляции света, попадающего на фотоэлемент, на ось электромотора насажен диск с вырезом в виде сектора. Для освещения фотоэлемента за диском укреплена электрическая лампа (осветитель).

П олупроводниковый фотоэлемент укреплен на специальном держателе вблизи поверхности диска (рис. 4.1). При воздействии на фотоэлемент модулированным светом, в цепи фотоэлемента возникает импульсы тока, которые создают некоторое падение напряжения на сопротивлении , включенном параллельно фотоэлементу. Это напряжение подается на Y–вход осциллографа.

Рис. 4.1. Схема экспериментальной установки

Исследуя наблюдаемые на экране осциллографа кривые релаксации фототока, можно установить промежуток времени, за который фототок изменяется на определенную величину (время спада в несколько раз) и проведя соответствующий расчет, – время жизни неравновесных носителей тока.

5. Порядок выполнения работы

1. Проверьте правильность соединения элементов экспериментальной схемы (рис. 4.1).

2. Включите электромотор, обеспечивающий вращение диска с вырезанным в нем сектором.

3. Получите на экране осциллографа импульсы фототока, тщательно зарисуйте их на миллиметровой бумаге.

Особое внимание следует обратить на кривую спада импульса тока. Отметьте на сделанном рисунке деление разметки осциллографа (величину клетки масштабной сетки) и запишите численное значение цены деления. По горизонтальной оси масштабная сетка определяет время в миллисекундах (см. показания переключателя «время/деление» на панели осциллографа).

4. Определите (в больших клетках масштабной сетки) величину – максимальную величину фототока, возникающего при освещении фотоэлемента.

5. Рассчитайте (в больших клетках масштабной сетки) следующие мгновенные значения тока :

.

На осциллограмме отсчитайте по вертикали от нулевого уровня тока рассчитанные величины , отметьте эти значения на кривой спада тока (см. рис. 5.1). По горизонтальной оси, с учетом цены деления , определите значения времени спада тока от начала спада тока до рассчитанных значений .

Рис. 5.1. Осциллограмма импульса фототока

Занесите все рассчитанные значения и соответствующие им значения в таблицу 1.

Таблица 5.1

Экспериментальные данные

№	, дел.	, мс	, мс	, мс	,
1
2
3

6. Изменив развертку осциллографа (увеличив в два раза цену деления горизонтальной оси), получите на осциллограмме несколько импульсов фототока одновременно (см. рис 5.2). Определите по осциллограмме период повторения импульсов, умножив число делений n масштабной сетки по горизонтальной оси между любыми повторяющимися точками импульса тока на цену деления :

.

Рис. 5.2. Осциллограмма повторяющихся импульсов фототока

6. Обработка экспериментальных результатов

1. Определите время жизни неравновесных носителей заряда. Для этого необходимо, используя закон релаксации фототока (3.6), взять отношения максимальной величины и мгновенных значений

(6.1)

и прологарифмировав, определить из соотношения:

(6.2)

Очевидно, что для величины фототока отношение и .

2. Рассчитать среднее значение времени жизни неравновесных носителей для числа измерений по обычной методике:

. (6.3)

3. Определите величину абсолютной погрешности времени жизни неравновесных носителей по формуле

, (6.4)

где – отклонение отдельных измерений от средней величины , – коэффициент Стьюдента, который для значения надежности и числа измерений равен .

Записать окончательный результат исследования в виде:

.

2. По измеренной величине периода повторения импульсов фототока вычислите частоту вращения модулирующего освещение диска по формуле:

.(6.3)

Полученные значения частоты вращения диска должны по порядку величины совпадать с частотой оборотов электромотора, используемого в эксперименте .

7. Контрольные вопросы

1. Объяснить физический смысл явления фотопроводимости.

2. Какими физическими процессами обусловлено изменение величины фототока.

3. Получите закон релаксации фототока.

«ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД»