Цель работы: изучение фотоэлектрических явлений в полупроводниках

Цель работы: изучение фотоэлектрических явлений в полупроводниках. Задача: снять световую и семейство вольт-амперных характеристик фотосопротивления. Приборы и принадлежности: фотосопротивление, микроамперметр, лампочка, два потенциометра, два вольтметра, источник постоянного тока, ключи. ВВЕДЕНИЕ Ускорение научно-технического прогресса невозможно без эффективного использования полупроводниковой электроники. Полупроводниковые приборы обладают самыми разнообразными свойствами, поэтому их область применения чрезвычайно широка. В данной лабораторной работе рассматривается лишь одно из таких свойств: взаимодействие полупроводника со светом. Некоторые полупроводники чутко реагируют на свет. Например, под действием электромагнитного излучения меняется электрическое сопротивление полупроводника. На основе этого эффекта созданы индикаторы электромагнитного излучения (в том числе и видимого света), чувствительность которых превышает чувствительность человеческого глаза. Изменение электрического сопротивления полупроводников под действием света связано с внутренним фотоэффектом. Структура энергетических зон и характер заполнения их электронами определяют электропроводность твердых тел. У проводников и диэлектриков (при Т = 0 К и отсутствии внешних воздействий) валентная зона заполнена полностью, а в зоне проводимости нет ни одного электрона (рис. 1). Между полупроводниками и диэлектриками нет резкой грани. У полупроводников запрещенная зона узкая (например, у германия – 0,66 эВ) а у диэлектриков – широкая (например, у алмаза – 5,2 эВ). Рис. 1. Характер заполнения энергетических зон у полупроводников и диэлектриков Важно понять, что электроны полностью заполненной зоны не могут создавать электрический ток. Дело в том, что электрическое поле при ускорении электронов должно увеличивать их энергию. Если, например, приложить к полупроводнику с характерным размером 1 см разность потенциалов 50 В, то перепад потенциалов на атомных расстояниях будет порядка 5 ∙ 10-7 В. Значит, в этом случае электрическое поле должно увеличивать энергию каждого электрона примерно на 5 ∙ 10-7 эВ. Расстояние между уровнями в зоне (~ 10-23 эВ) намного меньше этой величины, в то время как расстояние между зонами намного больше ее. Поэтому электрическое поле способно переводить электроны с уровня на уровень лишь внутри зоны. Так и происходит, если в зоне есть верхние пустые уровни. Однако если все уровни заполнены, то (в силу принципа Паули) увеличить энергию электронов можно лишь путем перевода их в зону проводимости. Но на это у электрического поля не хватает сил. Таким образом, при температуре Т = 0 К и отсутствии внешних воздействий полупроводник является обычным диэлектриком. Начнем теперь облучать полупроводник светом. Поглощая фотоны, электроны начнут переходить из валентной зоны в пустую зону проводимости (рис. 2). Эти электроны, свободно передвигаясь по полупроводнику, способны создавать электрический ток. Так как часть электронов покинет валентную зону, то на ее верхних уровнях появляются вакансии (дырки). Электрическое поле теперь уже сможет увеличивать энергию валентных электронов, переводя их на верхние освободившиеся уровни. Значит, в этом случае электроны валентной зоны смогут создать электрический ток. Принято говорить, что электроны зоны проводимости создают электрическую проводимость, а валентные электроны – дырочную. Процесс перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием света называется внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте число электронов в зоне проводимости не будет бесконечно возрастать, так как возбужденные электроны будут самопроизвольно опускаться в валентную зону. В результате борьбы этих двух эффектов в зоне проводимости установится постоянное число электронов (столько же будет вакансий в валентной зоне). Число возбужденных электронов будет пропорционально числу падающих фотонов. Число падающих фотонов, в свою очередь, пропорционально интенсивности света. Существует три типа переходов, которые приводят к появлению фотопроводимости (рис. 3). При переходе первого типа, который подробно рассмотрен, возникает фотопроводимость, которая называется собственной. Переходы второго типа возникают при поглощении фотона атомом донорной примеси кристалла; при этом образуются свободные электроны и свободные места на донорных атомах. Переходы третьего типа возникают, когда при поглощении света электроны переводятся из заполненной зоны на незанятые акцепторные уровни. В результате этого процесса образуются свободные дырки и электроны, связанные с акцепторными атомами. Фотопроводимость, возникающая в результате двух последних процессов, называется примесной. Следствием внутреннего фотоэффекта является изменение силы тока, текущего в полупроводнике (фототока). Отчего зависит величина фототока Iф? Хорошо известно, что сила тока пропорциональна концентрации и скорости свободных носителей. Свободными носителями являются электроны зоны проводимости и дырки (вакансии в валентной зоне). Их концентрация пропорциональна интенсивности света J. Поэтому Iф ~ J. (1) Скорость свободных носителей в кристалле пропорциональна приложенному напряжению. Поэтому Iф ~ U. (2) Формула (2) выражает закон Ома, поэтому естественно ввести фотосопротивление . (3) Из формул (1) и (3) видно, что фотосопротивление обратно пропорционально интенсивности света, падающего на полупроводник. Для краткости полупроводник, обладающий фотосопротивлением, также называют фотосопротивлением. Фотосопротивления получили широкое практическое применение благодаря высокой световой чувствительности. У селено-кадмиевых фотосопротивлений, например, она в 105 раз выше, чем у вакуумных фотоэлементов. В данной лабораторной работе экспериментально изучаются зависимости (1) и (2). При этом следует иметь в виду два обстоятельства. При полном затемнении (J = 0) амперметр будет регистрировать темновой ток Iт. Причина существования темнового тока следующая. В реальных условиях температура полупроводника Т ≠ 0 К. За счет тепловой энергии валентные электроны переходят в зону проводимости. Так появляются свободные носители, не вызванные внутренним фотоэффектом. При Т ≠ 0 К непосредственно измеряется световой ток Ic, который складывается из фототока и темнового тока: Ic = Iф + Iт. (4) Экспериментальное изучение световой характеристики (1) затруднено из-за сложности прямого измерения интенсивности света. Зависимость (1) проверяется косвенно следующим методом. Интенсивность света, попадающего на фотосопротивление, пропорциональна мощности излучения. В качестве источника света используется лампочка. Мощность излучения лампочки определяется по формуле Nc = η ∙ N, (5) где η – коэффициент полезного действия лампочки, а N – потребляемая мощность. Потребляемая лампочкой мощность , (6) где Uл – напряжение на лампочке; Rл – ее сопротивление. На основании изложенного получим ~ U, или ~ U. (7) Именно зависимость (7) и будет определяться экспериментально. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Фотосопротивление (ФС) представляет собой обычное омическое сопротивление, состоящее (рис. 4) из слоя полупроводника 2, нанесенного на изолирующую подкладку 1 и заключенного между двумя токопроводящими электродами 3. Приемная площадь ФС обычно защищается пленкой прозрачного лака. На ФС подается напряжение U от источника тока ε (рис. 5, а). Величина регулируется потенциометром R и снимается вольтметром V. Для измерения фототока установлен микроамперметр, ФС освещается лампочкой Л, накал которой регулируется потенциометром Rл (рис. 5, б). Напряжение на лампочке Л измеряется вольтметром Vл. Лампочка Л и фотосопротивление ФС изолированы от посторонних источников света. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики ФС Ознакомиться со схемой установки, представленной на рис. 5. Включить установку. Включить лампочку (ключ Кл). Установить на ней напряжение Uл = 2 В потенциометром Rл. Включить фотосопротивление (ключ К). Изменяя напряжение на фотосопротивлении потенциометром R от 0 до 6 В с шагом 1 В на вольтметре V снять по микроамперметру значения фототока Iф. Результаты измерений записать в табл. 1. Повторить измерения фототока Iф при напряжениях на лампочке Uл = 3 В и Uл = 4 В согласно пункту 5. Построить вольт-амперные характеристики, то есть зависимость Iф = f(Uфс) при различной освещенности фотосопротивления (Uл = 2, 3, 4 В). Определить сопротивление ФС при различной освещенности, как тангенс угла наклона вольт-амперных характеристик (рис. 6): . Таблица 1 Вольт-амперные характеристики Uфс, В Uл = 2 В Uл = 3 В Uл = 4 В Iф, мкА Iф, мкА Iф, мкА Задание 2. Снятие световой характеристики Установить на ФС потенциометром R напряжение Uфс = 3 В (вольтметр V). Изменяя напряжение на лампочке потенциометром Rл от 0 до 6 В с шагом 1 В на вольтметре Vл и поддерживая потенциометром R напряжение Uфс = 3 В постоянным (тем самым исключая влияние темнового тока), снять по микроамперметру значения фототока Iф. Результаты измерений записать в табл. 2. Построить график зависимости = f(U). Таблица 2 Световая характеристика Uл, В 1 2 3 4 5 6 Iф, мкА , мкА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны? Что называется валентной зоной? зоной проводимости? запрещенной зоной? Какое вещество называют металлом? полупроводником? диэлектриком? Какое явление называется внутренним фотоэффектом? Что называется фотосопротивлением? Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики? Какова причина существования темнового тока? Почему с повышением температуры электропроводимость полупроводников увеличивается? Может ли внутренний фотоэффект наблюдаться в диэлектриках? Ответ пояснить. Почему фототок, текущей через фотосопротивление, пропорционален квадрату напряжения на лампочке, освещающей это фотосопротивление? БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособ. для вузов / Т. И. Трофимова – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с. Лабораторный практикум по физике / под ред. А. С. Ахматова. – М.: Высш. шк., 1980. – 360 с.

Похожие:

	Цель работы: изучение внешнего фотоэффекта		Изучение законов сохранения при соударении двух шаров. Цель работы
	Цель работы: изучение закона сохранения момента импульса и метода измерения крутильным баллистическим маятником скорости полета пули		Изучение закономерностей центрального удара Цель работы: проверка закона сохранения импульса, определение величины потери энергии и коэффициента восстановления для прямого центрального...
	Урока Проверка знаний и умений, учебник, с. 154-155. Изучение нового материала. Желудок человека, особенности его строения и функций Учащиеся узнают, что И. П. Павлов получил Нобелевскую премию за изучение работы органов пищеварения		Методические указания для работы с программой «Открытая Физика 1» Цель работы
	Комплекс явлений и процессов в системе “Человек- среда обитания” негативно действующих на человека и среду обитания. Цель изучения		Итоги и анализ лабораторной работы. 2 Изучение нового материала
	Цель работы		Цель работы