Лабораторные работы №1,2,3,6,7,8 / мээт-3
.docГосударственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.
Кафедра Микроэлектроники.
Отчёт по лабораторной работе № 3.
Выполнил: Комиссаров С.С. гр. 9221
2000 г.
Исследование фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов.
Основные понятия и определения
Фотоэлектрические
эффекты (фотоэффекты) связаны с изменением
электрических свойств полупроводника
под воздействием электромагнитного
излучения. В однородных полупроводниках
наиболее важным является фоторезистивный
эффект. Он заключается в уменьшении
сопротивления полупроводника под
действием света. Сущность фоторезистивного
эффекта сводится к тому, что при поглощении
фотонов с энергией, достаточной для
ионизации собственных атомов полупроводника
или ионизации примесей, происходит
увеличение концентрации носителей
заряда. В результате увеличения
концентрации носителей заряда возрастает
удельная проводимость полупроводника.
Добавочную проводимость, возникающую
при фотоактивном поглощении, называют
фотопроводимостью. Фотопроводимость
равна разности проводимостей полупроводника
на свету и в темноте:
(1).
Различают собственную и примесную
фотопроводимость. Собственная
фотопроводимость обусловлена оптическими
переходами электронов из валентной
зоны в зону проводимости или же с захватом
электронов валентной зоны на примесные
состояния. Для возбуждения собственной
фотопроводимости энергия фотонов должна
превышать некоторое пороговое значение,
определяемое шириной запрещённой зоны
полупроводника:
(2),
где h=4,14 10-15эВ
с – постоянная Планка; с=3 108
м/с – скорость света; W
– ширина запрещённой зоны.
В спектральной зависимости собственной фотопроводимости имеется максимум, появляющийся в сравнительно узком спектральном диапазоне вблизи длинноволнового края собственного поглощения. При уменьшении длины волны излучения от пор возрастает интенсивность оптических переходов, что приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда и соответствующему росту фотопроводимости. С другой стороны, при больших энергиях фотонов (малых длин волн) существенно возрастает показатель оптического поглощения, что сопровождается уменьшением глубины проникновения излучения в полупроводник. При этом возникающие в тонком поверхностном слое неравновесные носители заряда быстро рекомбинируют через уровни поверхностных ловушек и дефектов. Это приводит к коротковолновому спаду на спектральной характеристике фотопроводимости.
Световая характеристика представляет собой зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения. При увеличении уровня облучения полупроводника возрастает интенсивность оптических переходов, и, следовательно, растёт фотопроводимость. В области слабых световых потоков характеристика обычно имеет линейный характер. Однако с повышением интенсивности света линейность нарушается, рост фотопроводимости замедляется. Отклонение от линейного закона при высоких уровнях возбуждения объясняется усиливающейся ролью процессов рекомбинации вследствие превращения части ловушек захвата в рекомбинационные центры.
В настоящей работе исследование фотоэлектрических свойств полупроводников производится на примере материалов, применяемых в фоторезисторах. Используются промышленные фоторезисторы на основе сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe), обладающие высокой чувствительностью к излучению видимого диапазона спектра.
Описание установки.
Исследование фотоэлектрических свойств полупроводников осуществляется с помощью монохроматора, схема которого представлена на рисунке. Световой поток от лампы Е, питающейся от сети G, поступает на диспергирующее устройство П через щель F, величина которой регулируется с помощью микрометрического винта. Диспергирующее устройство П представляет собой призму, поворачивая которую с помощью барабана , можно освещать полупроводник светом определённой длины волны. На выходе монохроматора установлены исследуемые образцы R полупроводника 1 и 2 и индикатор облучаемого света. Изменение проводимости фиксируется с помощью цифрового омметра PR.
Проведение испытаний.
Исследование спектральной зависимости фотопроводимости.
Включить цифровой омметр PR и дать ему прогреться. Открыть полностью щель F, для чего микрометрическим винтом на входе монохроматора установить ширину щели 4 мм. Установить барабан на нуль. Включить лампу Е. Изменяя положение диспергирующего устройства П поворотом барабана от 500 до 3500 делений, измерять установившееся значение сопротивления через каждые 100 делений барабана. По градуировочной таблице определить длину волны падающего света , соответствующую делениям барабана, и энергию излучения W , соответствующую этим . Результаты записать в таблицу 1. отметить положение барабана, соответствующее минимальному сопротивлению полупроводника.
Исследование зависимости фотопроводимости от интенсивности облучения.
Установить барабан в положение соответствующее минимальному сопротивлению полупроводника. Микрометрический винт поставить на нуль. Изменяя положение микрометрического винта от нуля до 4 мм, измерять установившееся значение сопротивления R при значениях ширины щели, приведённых в таблице 2. Все исследования провести для двух образцов.
Обработка результатов.
1) По данным
исследования спектральной зависимости
фотопроводимости, вычислить проводимость
полупроводника на свету для всех длин
волн
,
результаты записать в Таблицу 1.
2) Пользуясь выражением (1), вычислить фотопроводимость полупроводника, приняв темновое сопротивление RT=10 Мом. Результаты записать в Таблицу 1.
3) Вычислить
приведённую фотопроводимость (изменение
проводимости полупроводника под
действием еденицы энергии падающего
излучения)
,
Результаты записать в Таблицу 1.
4) По данным таблицы
1 построить спектральную зависимость
фотопроводимости, откладывая по оси
абсцисс , а
по оси ординат относительную
фотопроводимость
.
5) Пользуясь графиком этой зависимости определить длинноволновую границу пор фоторезистивного эффекта. Вседствии того что экспериментальная характеристика имеет размытую длинноволновую область, пор принять равной 1/2 т.е. длине волны при которой фотопроводимость равна половине максимальной. По полученному значению вычислить энергию активации фотопроводимости по формуле (2).
6) По данным таблицы 2 вычислить проводимость и фотопроводимость полупроводника для каждого значения ширины щели. Результаты записать в таблицу 2.
7) По данным таблицы 2 построить световую характеристику откладывая по оси абсцисс lg(d/dmax), где dmax – максимальная ширина щели, а по оси ординат lgФ
Таблица 1.
|
Деления. |
, мкм |
W , у.е. |
Rc, МОм |
с, мкСм |
ф, мкСм |
ф’,у.е. |
ф’/ф’max |
|||||
|
500 |
0,475 |
0,140 |
9,310 |
4,900 |
0,107 |
0,204 |
0,007 |
0,104 |
0,053 |
0,743 |
0,0243 |
0,0055 |
|
600 |
0,476 |
0,141 |
9,290 |
4,100 |
0,108 |
0,244 |
0,008 |
0,144 |
0,054 |
1,021 |
0,0249 |
0,0075 |
|
700 |
0,477 |
0,143 |
9,250 |
3,500 |
0,108 |
0,286 |
0,008 |
0,186 |
0,057 |
1,299 |
0,0260 |
0,0096 |
|
800 |
0,478 |
0,145 |
9,230 |
2,750 |
0,108 |
0,364 |
0,008 |
0,264 |
0,058 |
1,818 |
0,0264 |
0,0134 |
|
900 |
0,479 |
0,147 |
9,210 |
2,150 |
0,109 |
0,465 |
0,009 |
0,365 |
0,058 |
2,484 |
0,0268 |
0,0184 |
|
1000 |
0,480 |
0,150 |
9,150 |
1,600 |
0,109 |
0,625 |
0,009 |
0,525 |
0,062 |
3,500 |
0,0284 |
0,0259 |
|
1100 |
0,481 |
0,153 |
9,160 |
1,190 |
0,109 |
0,840 |
0,009 |
0,740 |
0,060 |
4,839 |
0,0275 |
0,0358 |
|
1200 |
0,482 |
0,157 |
9,180 |
0,845 |
0,109 |
1,183 |
0,009 |
1,083 |
0,057 |
6,901 |
0,0261 |
0,0510 |
|
1300 |
0,484 |
0,163 |
9,140 |
0,620 |
0,109 |
1,613 |
0,009 |
1,513 |
0,058 |
9,282 |
0,0265 |
0,0686 |
|
1400 |
0,487 |
0,172 |
9,030 |
0,272 |
0,111 |
3,676 |
0,011 |
3,576 |
0,062 |
20,793 |
0,0287 |
0,1537 |
|
1500 |
0,490 |
0,182 |
8,690 |
0,235 |
0,115 |
4,255 |
0,015 |
4,155 |
0,083 |
22,831 |
0,0380 |
0,1688 |
|
1600 |
0,494 |
0,195 |
8,400 |
0,145 |
0,119 |
6,897 |
0,019 |
6,797 |
0,098 |
34,854 |
0,0448 |
0,2577 |
|
1700 |
0,499 |
0,210 |
7,450 |
0,071 |
0,134 |
14,085 |
0,034 |
13,985 |
0,163 |
66,593 |
0,0748 |
0,4924 |
|
1800 |
0,505 |
0,228 |
6,900 |
0,051 |
0,145 |
19,608 |
0,045 |
19,508 |
0,197 |
85,561 |
0,0904 |
0,6326 |
|
1900 |
0,512 |
0,248 |
5,200 |
0,044 |
0,192 |
22,727 |
0,092 |
22,627 |
0,372 |
91,239 |
0,1708 |
0,6746 |
|
2000 |
0,520 |
0,270 |
3,950 |
0,030 |
0,253 |
33,333 |
0,153 |
33,233 |
0,567 |
123,086 |
0,2603 |
0,9100 |
|
2100 |
0,528 |
0,295 |
2,960 |
0,025 |
0,338 |
40,000 |
0,238 |
39,900 |
0,806 |
135,254 |
0,3700 |
1,0000 |
|
2200 |
0,536 |
0,323 |
2,050 |
0,024 |
0,488 |
42,553 |
0,388 |
42,453 |
1,201 |
131,434 |
0,5510 |
0,9718 |
|
2300 |
0,545 |
0,353 |
1,400 |
0,024 |
0,714 |
41,667 |
0,614 |
41,567 |
1,740 |
117,753 |
0,7986 |
0,8706 |
|
2400 |
0,555 |
0,385 |
1,200 |
0,027 |
0,833 |
36,496 |
0,733 |
36,396 |
1,905 |
94,536 |
0,8741 |
0,6990 |
|
2500 |
0,566 |
0,420 |
0,985 |
0,036 |
1,015 |
28,090 |
0,915 |
27,990 |
2,179 |
66,643 |
1,0000 |
0,4927 |
|
2600 |
0,579 |
0,460 |
0,940 |
0,061 |
1,064 |
16,393 |
0,964 |
16,293 |
2,095 |
35,421 |
0,9615 |
0,2619 |
|
2700 |
0,594 |
0,505 |
1,330 |
0,105 |
0,752 |
9,524 |
0,652 |
9,424 |
1,291 |
18,661 |
0,5924 |
0,1380 |
|
2800 |
0,611 |
0,560 |
2,960 |
0,268 |
0,338 |
3,731 |
0,238 |
3,631 |
0,425 |
6,485 |
0,1949 |
0,0479 |
|
2900 |
0,629 |
0,630 |
6,720 |
1,060 |
0,149 |
0,943 |
0,049 |
0,843 |
0,077 |
1,339 |
0,0356 |
0,0099 |
|
3000 |
0,649 |
0,710 |
8,750 |
5,250 |
0,114 |
0,190 |
0,014 |
0,090 |
0,020 |
0,127 |
0,0092 |
0,0009 |
|
3100 |
0,672 |
0,830 |
9,080 |
7,550 |
0,110 |
0,132 |
0,010 |
0,032 |
0,012 |
0,039 |
0,0056 |
0,0003 |
|
3200 |
0,697 |
0,990 |
9,150 |
7,950 |
0,109 |
0,126 |
0,009 |
0,026 |
0,009 |
0,026 |
0,0043 |
0,0002 |
|
3300 |
0,725 |
1,170 |
9,170 |
7,850 |
0,109 |
0,127 |
0,009 |
0,027 |
0,008 |
0,023 |
0,0036 |
0,0002 |
|
3400 |
0,758 |
1,370 |
9,190 |
7,580 |
0,109 |
0,132 |
0,009 |
0,032 |
0,006 |
0,023 |
0,0030 |
0,0002 |
|
3500 |
0,800 |
1,600 |
9,220 |
7,300 |
0,108 |
0,137 |
0,008 |
0,037 |
0,005 |
0,023 |
0,0024 |
0,0002 |
Таблица 2.
|
d, мм |
Rc, МОм |
с, мкСм |
ф, мкСм |
lg(d/dmax) |
lgФ |
||||
|
0,01 |
9,3 |
7,775 |
0,108 |
0,129 |
0,008 |
0,029 |
-2,602 |
-2,110 |
-1,543 |
|
0,02 |
9,2 |
7,525 |
0,109 |
0,133 |
0,009 |
0,033 |
-2,301 |
-2,049 |
-1,483 |
|
0,03 |
9,1 |
3,25 |
0,110 |
0,308 |
0,010 |
0,208 |
-2,125 |
-1,994 |
-0,683 |
|
0,05 |
8,9 |
1,145 |
0,113 |
0,873 |
0,013 |
0,773 |
-1,903 |
-1,899 |
-0,112 |
|
0,1 |
8,3 |
1,395 |
0,120 |
0,717 |
0,020 |
0,617 |
-1,602 |
-1,689 |
-0,210 |
|
0,2 |
7 |
0,174 |
0,143 |
5,747 |
0,043 |
5,647 |
-1,301 |
-1,366 |
0,752 |
|
0,3 |
5,7 |
0,121 |
0,175 |
8,264 |
0,075 |
8,164 |
-1,125 |
-1,122 |
0,912 |
|
0,5 |
3,9 |
0,078 |
0,256 |
12,821 |
0,156 |
12,721 |
-0,903 |
-0,806 |
1,105 |
|
1 |
2,1 |
0,049 |
0,476 |
20,367 |
0,376 |
20,267 |
-0,602 |
-0,425 |
1,307 |
|
2 |
1,2 |
0,036 |
0,833 |
28,090 |
0,733 |
27,990 |
-0,301 |
-0,135 |
1,447 |
|
4 |
1 |
0,03 |
0,962 |
33,223 |
0,862 |
33,123 |
0,000 |
-0,065 |
1,520 |
Д
линноволновая
граница для первого образца – 0,595мкм,
W =
2,09эВ (1,85эВ)
Длинноволновая граница для второго образца – 0,560мкм, W = 2,22эВ (2,53эВ)