Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Краткие теоретические сведения

КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

Лабораторная работа № 15

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ЭФФЕКТА НА ФОТОСОПРОТИВЛЕНИИ

Цель работы: построение вольт-амперной и световой (люкс-амперной) характеристик и определение удельной чувствительности фотосопротивления.

Оборудование: фотосопротивление, лампа накаливания, блок питания фотосопротивления, амперметр, вольтметр.

Краткие теоретические сведения

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения. Проводимость, возникающую под действием света, называют фотопроводимостью,
а полупроводники, в которых это явление имеет место, называют фотосопротивлениями или фоторезисторами.

Рассмотрим фотоэффект на основе зонной теории твердых тел. Согласно зонной теории валентная зона у полупроводников при температуре T = 0°K полностью занята электронами, а зона проводимости свободна (как у диэлектриков). Ширина запрещенной зоны D W у полупроводников составляет ~0,01–1 эВ. Если приложить разность потенциалов к такому кристаллу, то ток в нем не возникает, так как в зоне проводимости нет свободных носителей заряда, а энергии, которую сообщает внешнее электрическое поле электронам, недостаточно для переброса их из валентной зоны в зону проводимости. Дополнительную энергию, необходимую для преодоления запрещенной зоны, электроны могут получить при нагревании кристалла или при облучении его светом (фотоэффект). В последнем случае электроны получают энергию от поглощения квантов излучения (фотонов). При этом энергия фотона hn должна быть равна или больше ширины запрещенной зоны:

, (1)

где n – частота излучения; h – постоянная Планка.

Поглотив фотон, электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости (рис. 1, а). Незаполненное электроном энергетическое состояние
в валентной зоне соответствует положительно заряженной квазичастице, называемой «дыркой». Таким образом, каждый фотон освобождает пару «электрон – дырка». Под действием внешнего электрического поля электроны
и «дырки» в кристалле движутся упорядочено («дырки» вдоль поля, электроны против поля), обеспечивая собственную проводимость полупроводника.

Концентрация пар «электрон – дырка» и фототок пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности кристалла за единицу времени, то есть интенсивности света.

У некоторых полупроводников и без освещения при комнатной температуре в зоне проводимости может находиться небольшое число термически возбужденных электронов. Они будут создавать темновую проводимость полупроводника и темновой ток.

Если частота n падающего света такова, что энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны (h v < D W), то фотоэффект не наблюдается. Граничная частота n₀, ниже которой фотоэффект не наблюдается, называется красной границей фотоэффекта (или фотопроводимости).

Для каждого вещества она имеет свое значение, определяемое шириной запрещенной зоны:

. (2)

В примесных полупроводниках фотопроводимость может возникать при поглощении фотонов с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Это связанно с тем, что в примесном полупроводнике в запрещенной зоне имеются дополнительные уровни энергии, называемые примесными.

В полупроводнике n- типа примесные донорные уровни расположены вблизи «дна» зоны проводимости и полностью заняты электронами при
Т = 0 К (рис. 1, б). Электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости при поглощении фотонов с энергией

. (3)

Возникшая при этом фотопроводимость – чисто электронная.

В полупроводнике р -типа примесные (акцепторные) уровни расположены вблизи «потолка» валентной зоны (рис. 1, в). При Т = 0 К акцепторные уровни свободны. Под действием света электроны из валентной зоны переходят на акцепторные уровни, если энергия падающих на кристалл фотонов h n³D W _A. В валентной зоне образуются «дырки», которые обуславливают «дырочную» фотопроводимость.

ΔW_A

ΔW_D

ΔW

Рис. 1

Описание установки

Фотосопротивление (рис. 2, а) представляет собой слой 1 полупроводникового материала, нанесенного на изолирующую пластину 2. На кроях слоя расположены электроды 3, фотосопротивление монтируется в пластмассовом корпусе 4.

Рис. 2

Схема включения фотосопротивления ФС приведена на (рис. 2, б), где (S -источник света). При отсутствии освещения в цепи протекает ток, зависящий от приложенного напряжения и темнового сопротивления. Этот ток называется темновым. Его величина может быть очень малой или равной нулю. При освещении фотосопротивления ток возрастает. Разность между током при освещении и темновым током называют фототоком.

Важнейшими характеристиками фотосопротивления являются его чувствительность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излучения (спектральная характеристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление, зависимость чувствительности от освещенности (световая характеристика), а также вольт-амперные характеристики темнового, светового и фототока.

Вольт-амперные характеристики фотосопротивлений–это зависимости фототока от приложенного напряжения при постоянной освещенности. Для некоторых фоторезисторов (например, из CdS и CdSe) они линейны в широкой области изменения напряжений. При очень больших освещенностях линейность этих зависимостей нарушается за счет нагрева чувствительного слоя фотосопротивления.

Отношение фототока к вызвавшему его появление лучистому потоку называется интегральной токовой чувствительностью:

, (4)

где Ф = ES – лучистый поток (Лм); Е – освещенность; S – площадь освещаемой поверхности фотосопротивления.

Поскольку чувствительность фотосопротивления зависит от длины волны излучения, при определении этой чувствительности указывают источник излучения.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от напряжения. Поэтому при задании чувствительности необходимо либо указать рабочее напряжение, либо использовать понятие удельной чувствительности:

, (5)

где U – приложенное напряжение.

12 Следующая ⇒