Работа 9.4 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 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 воздействие, 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_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 фототк I_Ф.

Характеристиками 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:

.

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

Рис. 9.1. Устройство фотосопротивления (а) и схема его включения (б)

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

.

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_T и относитель­ного изменения сопротивления Δr/r_T 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—A1), PU—вольтметр, PA—микро­амперметр, R—реостат, S_Э—эталонная лампа накали­вания. Фотосопротивление и лампа установлены на оптиче­ской скамье.

Рис. 9.2. Схема для исследования внутреннего фо­тоэффекта

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 а=20 см от лампы, поднять шторку и снять вольт-амперную характе­ристику фототока, изменяя напряжение от 0 до 15 В. Резуль­таты измерений представить табл. 9.1. Подобные измерения сделать также для расстояния 10 см.

Таблица 9.1

Вольт-амперная характеристика фотосопротивления

Ток, мкА	Напряжение, В
	0	3	...	15
Темновой, IT
При освещении, I
Фототок, IФ

а= ... см; E= ... лк

Построить графики зависимости темнового тока и фотото­ка от напряжения при двух значениях освещенности (три кривые расположить на одном чертеже). Освещенность вы­числять по формуле E=J/a², где J—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 фотосопротив­лением и источником света от 10 до 40 см через 5 см и из­мерять ток I, затем вычислить I_Ф = I - I_T . Результаты изме­рений записать в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Световые характеристики фотосопротивлений

Напряжение, В	Ток, мкА	Расстояние а, см
		10	15	...	40
10	Темновой, IT При освещении, I Фототок, IФ
15	Темновой, IT При освещении, I Фототок, IФ
Освещенность E, лк

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

4. Вычислить относительное изменение сопротивления по формуле

4. при постоянном напряжении и различной освещенности и по­строить график зависимости Δr/r_T от освещенности для двух напряжений.

5. Вычислить удельную чувствительность фотосопротивле­ния при рабочем напряжении 15 В и освещенности 100 лк.