Изучение внутреннего фотоэффекта

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА «ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА»
С.О. Зубович, Т.А. Сухова
ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Методические указания
Волгоград
2014
УДК 53 (075.5)
Рецензент:
Канд. тех. наук, доцент А.Л. Суркаев
Издается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
С.О. Зубович, Изучение внутреннего фотоэффекта [Электронный ресурс]:
методические указания / С.О. Зубович, Т.А. Сухова //Сборник «Методические указания» Выпуск 3.-Электрон. текстовые дан.(1файл:141Kb) – Волжский: ВПИ (филиал) ГОУВПО ВолгГТУ, 2014.-Систем.требования:Windows 95 и выше; ПК с
процессором 486+; CD-ROM.
Методические указания содержат рекомендации к выполнению лабораторной работы, представленной в третьей части практикума кафедры
«Прикладная физика и математика» Волжского политехнического института.
Предназначены для студентов всех форм обучения.
Волгоградский
государственный
технический
университет, 2014
 Волжский
политехнический
институт, 2014
Лабораторная работа №358
ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА
358.1. Цель работы: Изучение внутреннего фотоэффекта и определение некоторых характеристик фоторезистора.
358.2. Содержание работы
Явление вырывания электронов из вещества при освещении его светом
получило название фотоэлектрического эффекта. Различают внешний и
внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте электроны освобождаются светом из поверхностного слоя вещества и переходят в другую
среду, в частности в вакуум. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках, помимо внешнего фотоэффекта, наблюдается внутренний фотоэффект. При внутреннем фотоэффекте оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела, не нарушая электрическую
нейтральность последнего.
Рассмотрим процесс поглощения света полупроводником более подробно.
Фотон с энергией Е = h, равной или несколько большей ширины запрещенной зоны Е, попадая, на полупроводник, переводит электрон из
валентной зоны в зону провоЕ
Зона проводимости
E
Запрещенная
зона
димости. Образующаяся при
этом пара электрон - дырка является свободной и участвует в создании проводимости
Валентная
зона
полупроводника (рис. 358.1).
Рис. 358.1
Для возбуждения примесных атомов фотон должен об3
ладать энергией h  E , где E - энергия активации этих атомов. В донорных полупроводниках фотоны переводят электроны с донорных уровней в зону проводимости (рис. 358.2), вследствие чего концентрация свободных электронов в полупроводнике повышаемся.
В акцепторных полупроводниках фотоны вызывают переход электроE
нов из заполненной зоны на примесные уровни
(рис. 358.3), что приводит к повышению концен-
Е
трации дырок. Таким образом, при
hE
(358.1)
в полупроводниках с собственной проводимостью
и
hE1
Рис. 358.2
(358.2)
в полупроводниках с примесной проводимостью
E1
появляются добавочные носители тока и его проводимость повышается. Процесс внутреннего ос-
Е
вобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная
проводимость приобретенная полупроводником
при облучении светом, называется фотопроводиРис. 358.3
мостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей тока, на-
зывается темновой проводимостью, так как она соответствует проводимости затемненного полупроводника.
Из формул (358.1) и (358.2) можно определить красную границу фотопроводимости, минимальную частоту (максимальную длину волны 0) при
которой свет является еще фотоэлектрически активным
0 =
ch
.
E
для собственных полупроводников и
4
(358.3)
 0=
А
ch
E 1
(358.4)
для примесных полупроводников.
Ф
Фотопроводимость полупроводников проявляется обычно в сравнительно узком спектральном интервале. На
рис. 358.4 показана зависимость коэф-
'
max
0
Рис. 358.4

фициента поглощения А и фотопроводимосги Ф от длины падающего све-
та. Свет с длиной волны, большей, 0 (красная граница), является неактивным; с другой стороны, свет с длиной волны, меньшей max становится все
менее активным по мере уменьшения , хотя энергия квантов этого света
более чем достаточна для активации проводимости. Это указывает на то,
что соотношения (358.3 и 358.4) выражают лишь необходимое условие для
возникновения фотопроводимости. Но оно не является достаточным. Наличие фотоэлектрически неактивного поглощения фотонов свидетельствуют о существовании особого механизма возбуждения атомов, не приводящего к появлению носителей тока. Таким механизмом может быть
механизм возникновения экситонов. При возбуждении фотопроводимости
электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и
становятся свободными. Однако возможно и иное течение процесса, когда
возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система и
называется экситоном. Экситон является электрически нейтральней системой, подобной возбужденному атому водорода. Возникновение экситонов
в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей
тока, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением
проводимости полупроводника. Уровни энергии экситонов располагаются
у дна зоны проводимости.
5
Явление внутреннего фотоэффекта используется в двух типах полупроводниковых приборов: в фотодиодах - преобразователях световой энергии
в электрическую (например, солнечные батареи) и в фоторезисторах - пассивных радиоэлементах, сопротивление которых зависит от освещенности.
В настоящей работе изучаются свойства фоторезисторов. На рис. 358.5
показана схема одного из
4
типов
3
фотосопротивле-
ния. Оно зависит из тон3
2
1
кого полупроводникового
слоя
2
(например,
сернистый таллий, серРис. 358.5
нистый свинец, серни-
стый кадмий), нанесенного на изолирующую подложку 1, металлических
электродов 3,. посредством которых фотосопротивление включается в
цель, и защитного лакового покрытия 4.
Для характеристики полупроводникового фотосопротивления и возможной области его применения вводится ряд параметров, Важнейшими
из них являются: интегральная и спектральная чувствительности, вольтамперная характеристика, постоянная времени, рабочее напряжение, световая
характеристика, кратность изменения сопротивления.
Под интегральной чувствительностью (k0) фоторезистора понимают
отношение фототока (JФ) к величине падающего светового потока (Ф), если к фоторезистору приложено напряжение U = 1 B
k0 
JФ
.
ФU
(358.5)
Световая характеристика фоторезистора выражает зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление при
постоянном напряжении. Световая характеристика фотосопротивлений не
является линейной, что свидетельствует о сложном характере явлений,
6
происходящих при внутреннем фотоэффекте.
Спектральная чувствительность характеризует величину фототока
при действии на фотосопротивление единицы светового потока определенной, длины при определенном приложенном напряжении.
Вольтамперная характеристика фотосопротивления отражает зависимость фототока от напряжения, приложенного к фотосопротивлению, при
неизменном, световом потоке. Для большинства фотосопротивлений
вольтамперная характеристика имеет линейный характер, т.е. существует
прямопропорциональная зависимость между фототоком и напряжением
при напряжениях, не превышающих допустимое.
Фотоэлектрические процессы в фотосопротивлении обладают инерционностью. Поэтому, когда на поверхность фотосопротивления начинает
падать свет, фототок достигает своего максимального знамения не мгновенно, а через некоторый промежуток времена. Аналогичное явление наблюдается и при внезапном прекращении освещения. Процесс освобождения светом новых электронов и дырок сопровождается их рекомбинацией.
По мере роста концентрации избыточных носителей заряда растет скорость их рекомбинации, и только по истечении некоторого времени после
начала освещения концентрации электронов и дырок достигают равновесных значений, которые сохраняются, пока освещение неизменно. После
прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течение
некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установится концентрация свободных носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация). Инерционность
фотосопротивлений характеризуется постоянной времени , которая определяется как время, в течение которого фототок после прекращения освещения уменьшается в е раз.
Кратность изменения (С) сопротивления определяет, во сколько раз
изменяется омическое сопротивление фоторезистора при его освещении
7
С
RT
,
R св
(358.6)
где RT - темновое сопротивление фоторезистора, Rсв - сопротивление фоторезистора при освещении.
358.3. Описание лабораторной установки
Принципиальная схема установки приведена на рис. 358.6.
PA2
mA
V
URF
R3
PV2
RF
Рис. 358.6
От стабилизированного источника питания напряжение подается на
фоторезистор RF. Потенциометр RЗ изменяет напряжение на фоторезисторе, которое измеряется вольтметром PV2. Фототок измеряется миллиамперметром РА 2. Все ручки управления и шкалы приборов расположен на
лицевой панели установки.
358.4 Методика проведения эксперимента и обработка результатов
358.4.1 Методика эксперимента
Световой поток, падающий на светочувствительную поверхность S фотосопротивления, можно рассчитать на основании закона освещенности
Ф  ES 
J
S,
r2
(358.7)
где E - освещенность фоторезистора, J - сила света источника, r - расстояние от источника света до фотосопротивления.
Сила света источника (J) и площадь поверхности фотосопротивления
8
(S) указаны на установке.
Из формулы (358.7) видно, что световой поток падающий на светочувствительный слой, зависит от расстояния r между источником света и фоторезистором. Следовательно, передвигая источник света, можно менять
величину светового потока, падающего на фоточувствительный слой.
Подавая на фотосопротивление RF напряжение и меняя его потенциометром R3 измеряют миллиамперметром РА2 величину фототока, при различных постоянных освещенностях. По полученным данным строят вольтамперные характеристики.
Меняя освещенность фотосопротивления (изменяя расстояние между
фоторезистором и источником света) измеряют величину фототока при
различных постоянных напряжениях. По полученным данным строят световые характеристики.
358.4.2. Порядок выполнения работы
1) Поставьте ручки потенциометром R1, R2, R3 в крайнее левое положение, переключатель работ в положение “фоторезистор”, тумблер, включающий осветитель в положение "выкл".
2) Перемещая трубку в крайнее левое положение установите минимальное расстояние между фотосопротивлением и источником света.
3) Включите установку в сеть (220 В). Включите осветитель.
358.4.2.1. Получение вольтамперных характеристик
1) Снимите темповую вольтамперную характеристику. Для этого потенциометром R3, изменяя напряжение на фотосопротивлении от 0 через
пять делений вольтметра PV2,.определите величину тока по миллиамперметру РА2. Значения напряжений и токов запишите в табл. 358.1
2) Снимите вольтамперные характеристики для освещенностей указанных преподавателем. Для этого осторожно перемещая трубку вправо, ус9
тановите необходимое расстояние между фоторезистором и источником
света. Проведите измерения напряжений токов (I2) и результаты запишите
в табл. 358.1.
358.4.2.2. Получение световых характеристик
1) Для получения световой характеристики потенциометром R3 установите напряжение предложенное преподавателем. Измерьте значения фототока для освещенностей, которые соответствуют всем указанным на трубке
расстояниям. Результаты запишите в табл. 358.2.
2) Аналогичные измерения проведите еще для двух значений напряжения указанных преподавателем.
358.4.3. Обработка результатов измерений
1) Постройте по данным табл. 358.1 семейство вольтамперных характеристик, откладывая по оси абсцисс, значения напряжения в вольтах, а по
оси ординат - фототок в миллиамперах. На одном графике расположите все
вольтамперные характеристики.
2) Постройте по данным табл.358.2 семейство световых характеристик,
откладывая по оси абсцисс расстояние в метрах, соответствующее определенной освещенности, а по оси ординат - фототок в миллиамперах. Все
световые характеристики расположите на одном графике.
3) Используя формулы (358.5) и (358.7), рассчитайте интегральную
чувствительность для нескольких значений светового потока и напряжений (по указанию преподавателя).
4) Используя закон Ома, рассчитайте кратность измерений сопротивлений по формуле (358.6) при различных значениях освещенности и одинаковом напряжении.
10
Таблица 358.1
U, В
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 … 70 75 80
J, mА
…
J21, mА
…
J22, mА
…
r, м
Таблица 358.2
r, м
U, В
JU1, mА
JU2, mА
JU3, mА
…
…
…
…
…
…
358.5.Контрольные вопросы
1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего?
2. Что такое длиноволновая граница фотопроводимости и как ее определить?
3. Почему при освещении полупроводника его сопротивление уменьшается?
4. Какова конструкция фоторезистора?
5. Что такое вольтамперная и световая характеристики фотосопротивлений?
6. Как практически определить интегральную чувствительность фоторезистора?
11
Литература, рекомендуемая для обязательной проработки: [1],
§1.2; [2], §§56, 57; [3], §§1, 2; [4], §§202,…, 205; [5], §§36.1,…, 36.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие для
физич. спец. вузов. – 3-е изд. стер. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний,
2013. – 256 с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики в 4-х томах. Квантовая оптика.
Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомоного ядра и элементарных частиц. – М.: КноРус, 2012. – Т.3. – 368 с.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, МФТИ, 2006. – Т.5. – 784 с.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. – 20-е изд., стер. – М.: Изд-во «Академия», 2014. – 560 с.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – 9-е изд., стер. – М.: Изд-во
«Академия», 2014. – 720 с.
12
Учебное издание
Сергей Олегович Зубович
Татьяна Александровна Сухова
ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Методические указания
в авторской редакции
Темплан 2007 г., поз.№ __27. В_
Лицензия ИД № 04790 от 18.05.2001 г.
Подписано в печать _________. Формат 60x84 1/16.
Усл. печ. л. _1,16___.
Уч.-изд. л. _1,2 на магнитоносителе
Волгоградский государственный технический университет.
400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина 28.
РПК “Политехник” Волгоградского государственного
технического университета.
400131, Волгоград, ул. Советская, 35.