Задание 10

Таблица 1

а, см	Ток	U, В
-	IT, мкА
	I, мкА
	I, мкА

Таблица 2

U, В	Ток	а, см
	IT, мкА
I, мкА
	IT, мкА
I, мкА

Теоретическая часть

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.

Объектом исследования яв­ляется фотосопротивление (рис. 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.

Рис. 1. Устройство фотосопротивления (а) и схема его включения (б)

На рис. 1, б 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.

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 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 часть

1. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для исследования внутрен­него фотоэффекта изображена на рис. 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. 2. Схема для исследования внутреннего фо­тоэффекта