Лабораторная работа №9(1)

6

ГОСКОМВУЗ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СПбГЭТУ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Исследование внутреннего фотоэффекта.

Отчет по лабораторной работе №9

Студент гр.4221 Калиниченко А.В.

1996

Исследование внутреннего фотоэффекта.

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 областями 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 запрещенной 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 отдельной энергетических уровнях. В зависимости от расположения примесного уровня в запрещенной зоне соответствующий атом примеси может обусловить электронную или дырочную проводимость тела. Так, занятый электронами пимесный 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 воздействие, сообщающее энергию электронам полупроводника, влияет на 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 обуславливают добавочную проводимость и создают фототок.

Исследуемые закономерности.

Объектом исследования является фотосопротивление - тонкий слой 1 полупроводникового материала, нанесенный на изолирующую пластинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся конструкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

На рисунке приведена схема включения фотосопротивления (ФС). При отсутствии освещения в цепи протекает темновой ток I_T , 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 I_ф.

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

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

S = I_ф/Ф_э.

Если сопротивление используется для регистрации излучения видимой части спектра, чувствительность выражают в амперах (чаще в 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 указывать рабочее напряжение U, либо пользоватья понятием удельной чувствительности

S_u = I_ф/U Ф_э.

В работе исследуются:

1. Зависимость темнового 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 Dr/r_т при постоянном напряжении от освещенности.

Зависимость фотока 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.

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

Результаты эксперимента и расчетов.

a1=20 cм
	U, B	0	3	6	9	12	15
Темновой Iт, мкА	0	5	10	15	20	25
	При осв. I, мкА	0	10	20	30	40	51
Фоток, Iф			0	5	10	15	20	26
а2= 20см
	U, B	0	3	6	9	12	15
Темновой Iт, мкА	0	5	10	15	20	25
	При осв. I, мкА	0	19	37	54	73	90
Фоток, Iф			0	14	27	39	53	65

Е₁ = 625 лк Е ₂= 2500 лк

	Расстояние а, см		10	15	20		25		30		35	40
10 В	Темновой I	18		18	18	18		18		18			18
	При освещ. I	60		43	34	29		26		24			22
	Фототок I	42		25	16	11		8		6			4
	Темновой I	27		27	27	27		27		27			27
15 В	При освещ. I	91		64	51	43		39		36			34
	Фототок I	64		37	24	16		12		9			7
	Освещенность Е, лк	2500		1111	625	400		277,8		204,1			156,25

Вычисление относительного изменения сопротивления по формуле:

Dr/r_т = I_ф/I при постоянном напряжении и различной освещенности

	Напряжение - 10В
а, см		10	15	20	25	30	35	40
	0,7	0,58	0,47	0,379	0,308	0,25	0,18
Е, лк	2500	1111	625	400	277,8	204,1	156,25
	Напряжение - 15В
		0,7	0,578	0,47	0,37	0,31	0,25	0,205
Е, лк	2500	1111	625	400	277,8	204,1	156,25

Вычислим удельную чувствительность фотосопротивления при рабочем напряжении 15 В и освещенности 100 лк:

S_u - 31.111

ВЫВОД: в процессе работы был исследован внутренний фотоэффект в сернистом свинце. Были сняты зависимость темнового тока и фототока от напряжения на фотосопротивлении при постоянном световом потоке, зависимость фототока от освещенности, зависимости темнового сопротивления r_т и относительного изменения сопротивления Dr/r_т при постоянном напряжении от освещенности.