Лабораторная работа №9

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

КАФЕДРА ФИЗИКИ ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ N9 по дисциплине "Ф И З И К А" «ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА» Преподаватель: студент гр. 0341 Юбрин А.Н. Санкт-Петербург 2001

Цель работы: изучение зависимости фототока в сернистом свинце от напряжения и освещенности.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с рейтерами, фотосопротивление ФС-А1, микроамперметр, вольтметр, реостат, эталонная лампа накаливания.

Общие сведения. В твердом теле уровни энергии атомных электронов трансформируются в энергетические зоны. Обла­сти разрешенных значений энергии отделены друг от друга, областям запрещенных значений. Если энергетическая зона заполнена электронами не полностью, то ее электроны при наложении электрического поля могут создавать ток, в противном же случае они не участвуют в токопереносе. Ширина запрещенной зоны проводников практически равна нулю, для Создания тока в проводнике достаточно приложить электрическое поле. Чтобы обеспечить электропроводность полупроводника или диэлектрика, .необходимо сообщить электронам некоторую энергию, которая определяется шириной запрещен- ной зоны. Так как ширина запрещенной зоны полупроводников невелика, то уже при небольшом нагревании полупроводника. электроны приобретают энергию, достаточную для перехода. в зону проводимости. Запрещенная зона изоляторов широка (несколько эВ), поэтому вызвать заметную электропроводность изоляторов нагреванием невозможно.

При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости на энергетических уровнях, валентной зоны образуются свободные места (дырки). Заполняясь электронами с нижележащих уровней, дырки перемещаются по направле­нию поля как положительные заряды.

Описанный механизм проводимости полупроводника опре­деляет собственную проводимость. Если в кристаллической решетке твердого тела имеются атомы примеси, то электроны этих атомов обычно размещаются не на энергетических уровнях основной решетки, а на отдельных энергетических уровнях. В зависимости от расположения примесного уровня в за­прещенной зоне соответствующий атом примеси может обу­словить электронную или дырочную проводимость тела. Так, занятый электронами примесный уровень вблизи дна зоны проводимости, создает электронную проводимость, а свободный уровень вблизи верха валентной зоны—дырочную проводимость. .

Это краткое описание механизма проводимости полупроводников показывает, что проводящее состояние полупроводника является возбужденным. Поэтому всякое воздействии, сообщающее энергию электронам полупроводника, влияет на его электропроводность. Наряду с. тепловым механизмом возбуждения проводимости большое значение имеет механизм возбуждения проводимости фотонами.

Если энергия фотона, поглощаемого веществом, равна или больше энергии, необходимой для перехода электрона в зону

проводимости, в твердом теле под действием излучения по­являются добавочные носители тока. Они обусловливают добавочную проводимость и создают фототок.

Исследуемые закономерности. Объектом исследования является фотосопротивление (рис. 9.1,а)—тонкий слой 1 полупроводникового материала, нанесенный на изолирующую пластинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся конструкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

На рис. 9.1,6 приведена схема включения фотосопротивления (ФС). При отсутствии освещения в цепи протекает темновой ток I_т зависящий от приложенного напряжения и темнового сопротивления. При освещении ток I в цепи боль­ше темнового тока. Разность между током при освещении и темновым током составляет фототок Iф.

Характеристиками фотосопротивления являются чувстви­тельность, зависимость чувствительности от длины волны па­дающего излучения (спектральная характеристика) и от осве­щенности (световая характеристика), рабочее напряжение, темповое сопротивление.

Чувствительность в общем случае вычисляется как отно­шение фототока I_ф к лучистому потоку Ф_ф:

S=Iф/Фэ

Если фотосопротивление используется для регистрации излу­чения видимой части спектра, чувствительность выражают в амперах (чаще микроамперах) на люмен. Поскольку чув­ствительность фотосопротивления зависит от спектрального

состава падающего излучения, при определении чувствитель­ности необходимо указывать, каким источником создавалось . излучение. Для определения чувствительности фотосопротив­ления в видимой части спектра источником излучения обыч­но служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2840 К.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от приложенного напряжения, поэтому при задании чув­ствительности необходимо либо указывать рабочее напряже­ние U, либо пользоваться понятием удельной чувствитель­ности

Su=Iф/UФэ.

В работе исследуются:

1) зависимость темпового тока и фототока от напряжения на фотосопротивлении при постоянном световом потоке

(вольтамперные характеристики);

2) зависимость фототока от освещенности (световые характеристики;

3) зависимости темнового сопротивления r_т и относительного изменения сопротивления r/r_т при постоянном напряжении от освещенности.

Зависимость фототока от освещенности фотосопротивле­ния имеет обычно нелинейный характер, так как внутренний фотоэффект сопровождается различными вторичными явле­ниями (рекомбинацией носителей тока в объеме и на поверх­ности, захватом носителей, дефектами решетки и др.).

Экспериментальная установка для исследования внутрен­него фотоэффекта изображена на рис. 9.2, где ФС—фотосопротивление (типа ФС—А1), PU —.вольтметр, РА—микроамперметр, R—реостат, Sэ—эталонная лампа накали­вания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптиче­ской скамье.

Протокол лабораторной работы №9

Вольтамперная характеристика фотосопротивлення

Ток мкА,	Напряжение, В
	0		3		6		9		12		15
Темновой IТ	7		17		29		40		50		62
При освещении I	9	14	27	41	50	72	72	100	92	100	100	100
Фототок IФ	2	7	10	24	21	43	32	60	42	50	38	38

a₁=20 см; a₂=10 см;

I=25кд

E₁=625лк

E₂=2500лк

Световые характеристики фотосопротивления

Напряжение, В	Ток, мкА	Расстояние а, см
		10	15	20	25	30	35	40
10	Темновой IТ	45	45	45	45	45	45	45
	При освещении I	100	94	82	74	68	64	61
	Фототок IФ	55	49	37	29	23	19	16
15	Темновой IТ	62	62	62	62	62	62	62
	При освещении I	100	100	100	100	97	91	87
	Фототок IФ	38	38	38	38	35	29	25
Освещенность, лк		156	204	277	400	625	1111	2500

1. Вычислим освещенность для расстояний 10 и 20 см от лампы.

E = J/a²

E = 625 для 20 см.

Е = 2500 для 10 см.

Построим графики зависимости I_ф и I_т от напряжения:

2. Вычислим значения освещенности:

Расстояние	40	35	30	25	20	15	10
Освещенность	156,25	204,0816	277,7778	400	625	1111,111	2500

Построим графики зависимости фототока от освещенности:

3. Вычислим относительное изменение сопротивления при значениях напряжения 10 и 15 В.

Напряжение	Удельная чувствительность
10		0,55	0,521277	0,45122	0,391892	0,338235	0,296875	0,262295
15		0,38	0,38	0,38	0,38	0,360825	0,318681	0,287356

Построим график зависимости удельного значения сопротивления от освещенности.

Вывод: В результате проведенной лабораторной работы мы получили:

1) зависимость темпового тока и фототока от напряжения на фотосопротивлении при постоянном световом потоке (вольтамперные характеристики);

2) зависимость фототока от освещенности (световые характеристики);

3) зависимости темнового сопротивления r_т и относительного изменения сопротивления r/r_т при постоянном напряжении от освещенности.

Заметим, что при увеличении освещенности, фототок возрастает, причем возрастание имеет нелинейный характер. На интервале [277,78;625] происходит возрастание значения фототока на 60%.

Указания по выполнению работы и содержанию отчета

1. Прикрыть шторкой фотосопротивление и снять вольт-амперную характеристику темнового тока,-изменяя напряже­ние на фотосопротивлении от 0 до 15 В через 3 В.

2.-Установить фотосопротивление на расстоянии a=20 см от лампы, поднять шторку и снять вольт-амперпую характе­ристику фототока, изменяя напряжение от 0 до 15 В. Резуль­таты измерении представить табл. 9.1. Подобные измерения сделать также для расстояния 10 см.

^, • . . , Таблица 9.1
'; Вольт-амперная характеристика фотосопротивлення
•' . ••. ^.^•.д,,,.1 .'-''.•ч	Напряжение. 5
. T\w ии & ^ ,,' ^ 1 UK, М;1Ш
	0	,3	...	15
Темповой, /у ,^'
, При освещении, /.; ^ , /,у	1. '•s 1
„.'.'ФОТОТОК, /ih''1 •"".'^ <'- ^'•"-•Й' .•..?-:„ - 1 \-•^;';^;.'•/•1 ,1:^'.•;''1':'.;''—,,:	:•'.} "" '
			'
';^ 1;'1 ' •;' ^'^"^'^У^'^.'1^,1?^,,,!'?.*»!; Е—..,лк.

Построить графики зависимости темпового тока и фотото­ка от напряжения при двух значениях освещенности (три кривые расположить на одном чертеже). Освещенность вы­числять по формуле Я=//а², где /—сила света (указана на приборе), а—расстояние от лампы до фотосопротивления.

3. Снять .световые характеристики фотосопротивления при напряжении 10 и 15 В. Для этого, поддерживая напряже­ние постоянным, изменять расстояние а между фотосопротнв-лением и источником света от 10 до 40 см через 5 см и из­мерять ток 7, затем вычислить /ф==/—/т. Результаты изме­рений записать в табл. 9.2.

Таблица 9.2 Световые характеристики фотосопротивлсния

'. Напряжение, В	Ток^ мкА	Расстояние о. см
		10	15	...	40
.10	Темповой, /-П.ри освещении. / Фототек, /ф
15	ToMiioBOi'i, /. П;рн освещении, / Фототок, /ф		,
,; Освещенность Е, лк

Построить график зависимости фототока /ф от освещен­ности Е для двух напряжений (10 и 15 В).

4. Вычислить относительное изменение сопротивления по ^-.формуле :

при постоянном напряжении и различной освещенности и по­строить график зависимости Дг/Гт от освещенности для двух напряжений.

5, Вычислить удельную чувствительность фотосопротип.- •-ния при рабочем напряжении 15 В и освещенности 100 W.