Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Мета роботи: вивчити закони внутрішнього фотоефекту на прикладі одержання вольт-амперної і світлової характеристик напівпровідникового фотоопору та знаходження його питомої чутливості.
Припади і матеріали: досліджуваний фотоопір, установка для зняття вольт-амперної і світлової характеристик.
Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник з шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграма якого показана на рис. 8-3 1.
Рис. 8-3
Тут Еv — верхній енергетичний рівень заповненої валентної зони. Ев —нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності. ЕF — рівень Фермі
Очевидно, що Eg=Eв-Ev. При Т0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а в валентній зоні — така ж кількість дірок. Нехай на зразок ладає світло частотою v. Енергія його квантів E=hv. Якщо E<Eg, то кванти світла поглинаються як електронами, так і дірками. Таке поглинання носить назву поглинання вільними носіями. Оскільки ширина забороненої зони велика в порівнянні з тепловою енергією кТ, то концентрація вільних носіїв мала, що обумовлює також малу інтенсивність поглинання. У цьому випадку більш суттєвим є відбивання світла.
Із зростанням частоти стає можливим ще один механізм ослаблення інтенсивності світла, а саме, при енергіях квантів hvS Eg фотон поглинається електроном, який знаходиться в валентній зоні. Це супроводжується переходом електронів у зону провідності і називається внутрішнім фотоефектом. В результаті внутрішнього фотоефекту концентрація вільних носіїв зростає. А оскільки питома електропровідність пропорційна концентрації носіїв, то внутрішній фотоефект викликає зростання електропровідності. Збільшення електропровідності під дією світла носить назву фотопровідності.
У власних напівпровідниках фотопровідність має біполярний характер, тобто поглинання світла приводить до появи електронів в зоні провідності, так і рівної їм кількості дірок у валентній зоні.
Можлива також монополярна фотопровідність. Розглянемо домішковий напівпровідник, енергетична діаграма якого зображена на рис. 8-2 2, де Еd — домішковий донорний рівень, розташований у верхній половині забороненої зони. При hvEв-Ed поглинання фотона приводить до збудження електрона, зв'язаного з домішкою, та перехід його в зону провідності. Якщо частота задовольняє умову hvEd-Ev, то енергії фотонів не вистачає для збудження електронів з валентної зони на домішковий рівень. Таким чином, при Ed-EvhvEв-Ed генерується певна кількість вільних носіїв одного знаку — електронів, а фотопровідність має монополярний характер. Очевидно, що при hvEd-Ev генеруються як електрони провідності, так і дірки, тоді домішкова фотопровідність буде біполярна. Аналогічні міркування можна провести також і для акцепторного напівпровідника.
Рис. 8-3
Поряд з генерацією носіїв квантами світла відбувається і зворотний процес, тобто перехід електронів у валентну зону, що називається рекомбінацією. Розрізняють кілька механізмів рекомбінації. Оскільки рекомбінація визначає суттєві риси фотопровідності, слід враховувати два найважливіші з них:
1. Пряма рекомбінація або рекомбінація зона — зона, при якій з'єднання електрона з діркою відбуваються завдяки переходові електрона із зони. провідності в пустий стан валентної зони. При цьому надлишок енергії електрон розсіює, здебільшого випромінюючи фотон;
2. Рекомбінація за участю домішок і дефектів. У цьому випадку вільні електрони рекомбінують з зв'язаними дірками на домішках і дефектах, а вільні дірки — з зв'язаними електронами. У результаті процесів фотогенерації та рекомбінації в зразкові при неперервному освітленні встановлюється стабільне значення концентрації нерівноважннх носіїв, яке й визначає собою фотопровідність.
У даній роботі вивчаються фотоелектричні явища в напівпровідниках на прикладі фотоопору. Будова фотоопору та принцип дії показані на рис. 8-3 3. де 1 — ізолююча підкладка, 2 — фоточутливий шар напівпровідникового матеріалу (здебільшого PbS, CdS, CaAs), 3 — металеві контакти.
Рис. 8-3
При опроміненні шару напівпровідника світлом завдяки внутрішньому фотоефектові опір зразка зменшується, а струм у коді відповідно зростає. Ця властивість фотоопорів обумовлює іх широке застосування в схемах автоматики як приймачів так і датчиків випромінювання.
Завдання 1. Зняття вольт — амперної характеристики, тобто залежності сили фотоструму Іф від напруги U.
1. Ввімкнути установку в міську мережу.
2. Встановити віддаль R джерела світла від фотоопору 10...15 см.
3. Змінюючи напругу від нуля до максимального значення, через кожні 10В фіксувати значення струму Іф.
4. Дослід повторити для R=25...30 cm.
5. Всі дані вимірювань занести в таблицю.
Завдання 2. Зняття світлової характеристики, тобто залежності сили фотоструму від величини освітленості фотоопору.
1. Встановити постійну напругу 80 В.
2. Змінюючи віддаль R від максимального до мінімального значення, через кожні 5 см фіксувати величину фотоструму.
3. Дослід повторити для U=150 В.
4. Всі дані вимірювань занести в таблицю.
Завдання 3. Визначення питомої чутливості фотоопору, тобто величини сили фотоструму при одиничних значеннях напруги та світлового потоку Ф.
(1)
Враховуючи, що світловий потік Ф, який падає на поверхню площею S, може бути знайдений через величину освітленості Е цієї поверхні за формулою:
Ф=ES (2)
а освітленість визначається через силу світла І джерела співвідношенням:
(3)
з формули (1) одержимо остаточний вираз для розрахунку питомої чутливості фотоопору:
(4)
1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність Іф =f(U) для різних R на одному графіку. Незалежну змінну U відкладати вздовж горизонтальної осі.
2. За формулою (3) обчислити освітленість відповідно всім значенням R. таблиці завдання 2, взявши силу світла лампочки І рівною 1,8 кандели.
3. За даними таблиці завдання 2 побудувати залежність Іф =f(E). Незалежну змінну Е відкладати вздовж горизонтальної осі.
4. За формулою (4) для певного значення R вирахувати не менше трьох разів К0 при різних U і відповідних їх Іф. Знайти абсолютну та відносну похибки.
5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.
ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ та НАУКИ УКРАЇНИ
Кафедра фізики
Лабораторна робота № 8-3
На тему: ВИВЧЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ЯВИЩ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ТА ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ФОТОЕЛЕМЕНТА
Виконали: ст.гр.ЕЗ-02 Тихий М.В.
Сьотка В.Д.
Оленчук С.Б.
Перевірив: Касіяненко В.Х.
2003