Лабораторна робота № 38

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОПРОВІДНОСТІ
НАПІВПРОВІДНИКІВ

Мета роботи:

дослідити явище внутрішнього фотоефекту в напівпровідниках на підставі основних характеристик фоторезисторів.

 

Перед виконанням роботи необхідно ознайомитись з такими питаннями курсу фізики.

1. Будова енергетичних зон напівпровідника. Утворення віль-них носіїв заряду.

2. Явище внутрішнього фотоефекту. Поняття про екситон.

3. Основні характеристики напівпровідникових фоторезисторів.

 

ЗАВДАННЯ

 

1. Визначити темновий опір фоторезистора при робочій нап-рузі.

2. Зняти вольт-амперні характеристики фоторезистора.

3. Зняти світлову характеристику фоторезистора.

4. Зняти спектральну характеристику фоторезистора.

5. Визначити кратність зміни опору фоторезистора та його інтегральну чутливість.

 

ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП

 

В напівпровідниках під впливом зовнішніх чинників, наприк-лад світла, концентрації електронів і дірок можуть змінюватись на багато порядків. Це призводить до суттєвої зміни електро-провідності напівпровідників. Явище внутрішнього вивільнення електронів під дією світла називається внутрішнім фотоефек-том. При цьому електрони не покидають напівпровідник.

 

Розглянемо власний напівпровідник,що перебуває в стані тер-

модинамічної рівноваги з оточуючим середовищем. Під дією теплової енергії відбувається перехід електронів з валентної зони (ВЗ) в зону провідності (ЗП), тобто має місце теплова генерація вільних носіїв заряду – електронів у ЗП і дірок у ВЗ (рис.17). Одночасно з генерацією вільних носіїв йде процес ре-
комбінації, тобто електрони
повертаються в ВЗ, при цьому

зникає вільна пара носіїв елек-

трон-дірка. Швидкість проце-

су рекомбінації є тим біль-

шою,чим більше добуток кон-

центрацій електронів і дірок

в напівпровіднику. В ста-

ні термодинамічної рівноваги

швидкості процесів теплової

генерації і рекомбінації пов-

Рис.17 ністю врівноважуються, і буде

встановлена певна рівноважна концентрація електронів та дірок , причому для власних напівпровідників = .

При опроміненні світлом до теплових переходів додаються переходи нетеплової природи, і створюється деяка концентрація нерівноважних вільних електронів і дірок і . Таким чи-ном, загальна концентрація вільних носіїв стає більшою: . Якщо припинити опромінення, світло-ва генерація припиняється, і концентрація нерівноважних носіїв зменшується з часом за експоненціальним законом, тобто

, (38-1)

де - так званий середній час життя нерівноважних носіїв заря-ду, що дорівнює часу, за який їх концентрація зменшується в е разів.

Внутрішній фотоефект буде можливим за умови, що енергія

 

 

фотона , яка передається електрону в ВЗ, більше ширини забороненої зони напівпровідника (в домішкових напівпро-

відниках – більше енергії активації донорних або акцептор-них рівнів. Енергетичний баланс для внутрішнього фото-ефекту можна записати так:

, (38-2)

де - кінетична енергія електрона в ЗП. Ця енергія поступово передається кристалічній решітці, тобто йде на нагрівання напівпровідника. Червоною межею для внутрішнього фотоефекту називають найменшу частоту або найбільшу довжину хвилі світла, при якій можлива генерація вільних носіїв заряду. Приймаючи в (38-2) = 0, знайдемо

, та , (38-3)

де h – стала Планка, с – швидкість світла у вакуумі.

Електропровідність напівпровідника за відсутності світла на-зивається темновою. Під дією світла електропровідність зростає за рахунок виникнення великої кількості нерівноважних носіїв, які називаються фотоносіями. Питома електропровідність скла-датиметься з темнової і фотопровідності , причому

, (38-4)

де - кількість фотоносіїв, що генерує світло в одиниці об’єму за одиницю часу, і - рухливості електронів і дірок, і - середній час життя відповідних фотоносіїв.

Фотоелектричні процеси в напівпровідниках мають певну інерційність. Зростання електропровідності, а отже, й сили фото-струму від темнового до максимального відбувається по-ступово. Аналогічно, після припинення дії світла сила струму поступово спадає (рис.18).

 

 

Залежності питомої фотопровідності і коефіцієнта оптич-ного поглинання від довжини хвилі світла показані на рис.19. Як видно з графіків, напівпровідник є чутливим до дії

 

Рис.18 Рис.19

світла в порівняно вузькій спектральній області біля довжини хвилі червоної межі фотоефекту. Цікаво, що фотопровід-ність настає і при (або ), коли не виконуються умови (38-3). Справа в тому, що коли енергія фотона трохи мен-ша за , електрон переходить на екситонні рівні, розташовані в забороненій зоні поблизу зони провідності (рис.20). Екситон являє собою особливий зв’язаний стан електрона (е) і дірки (h), що виникає в результаті кулонівської взаємодії (рис.21). Утво-

 

 

Рис.20 Рис.21

ривши екситон, електрон і дірка рухаються по кристалу як єдине ціле. При зіткненні екситона з фононом (тепловими коливан-

 

нями вузлів кристалічної решітки) може утворитися вільна пара носіїв електрон-дірка.

При < електрон одержує достатньо енергії, щоб перейти в ЗП, фотопровідність зростає, збільшується також і поглинання кристалом світлової енергії.

При << світло стає оптично неактивним. Це пояснюється тим, що енергія фотонів стає значною, і виникає дуже багато електронів з великою кінетичною енергією згідно з рівнянням (38-2). Електрони через зіткнення з вузлами решітки передають енергію кристалу, його температура помітно зростає. Це тягне за собою значну теплову генерацію власних носіїв, що починає призводити до зростання процесу рекомбінації. В підсумку може відбутись явище від’ємної фотопровідності, коли провідність стає менше темнової.

Явище внутрішнього фотоефекту знаходить широке викори-стання. Воно лежить в основі роботи вентильних фотоелементів, що перетворюють світлову енергію безпосередньо в електричну (сонячні батареї), а також фоторезисторів, які широко застосо-вуються в автоматиці. Фоторезистор являє собою тонкий напів-провідниковий шар, напилений на ізоляційну підложку. При падінні світла на нього змінюються його електричні властивості.

Для характеристики напівпровідникових фоторезисторів вводиться низка параметрів. Найважливішими з них є такі:

- вольтамперна характеристика ;

- світлова характеристика, тобто залежність фотоструму від світлового потоку ;

- спектральна характеристика, тобто залежність фотоструму від довжини хвилі (або частоти) світла ;

- темновий опір ;

- кратність зміни опору

, (38-5)

 

де - опір фоторезистора при певному світловому потоці

Ф і напрузі U;

- інтегральна чутливість

, (38-6)

яка вимірюється в мкА/лм×В.

Світловий потік Ф крізьповерхню площею S зв’язаний з силою світла I точкового ізотропного джерела і відстанню l до нього за формулою

. (38-7)

Підставляючи (38-7) в (38-6) для інтегральної чутливості фото-резистора одержимо вираз

, (38-8)

де під S розуміють площу поверхні фоторезистора, яка опромі-нюється світлом.

 

ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

 

Лабораторна установка схематично представлена на рис.22.

 

 

Рис.22

 

На рисунку цифрами позначені такі основні елементи: 1 – напів-провідниковий фоторезистор ФСК-2, 2 – пластмасовий тубус, 3 – лампочка на підставці, 4 – блок живлення ВУП-2, 5 – лінійка для визначення відстані від фоторезистора до лампочки, 6 – про-різ для розміщення світлофільтра, 7 – ручка потенціометра для встановлення напруги на фоторезисторі. Конструктивно тубус розміщений на корпусі ВУП-2, крім того, він накривається спе-ціальним чохлом, щоб унеможливити доступ стороннього світла до фоторезистора. Напруга вимірюється вольтметром В, а сила струму – мікроамперметром А. На панелі ВУП-2 є тумблер для вмикання електричної лампочки, яка приймається за точкове джерело світла.