Теоретическое обоснование. изучение основных закономерностей

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель типа ОИ-24, полупроводниковый фотоэлемент, фотосопротивление типа ФСК-1 или ФСК-2, микроамперметр с пределом шкалы 100мкА, вольтметр ВК7-10А, набор светофильтров, соединительные провода.

Цель работы: познакомить студентов с элементами зонной теории, устройством и основными характеристиками полупроводникового фотоэлемента и фотосопротивления.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Все твердые тела по электропроводности делятся на проводники, полупроводники и изоляторы. Благодаря ряду уникальных свойств особый интерес представляют полупроводниковые материалы. К таким свойствам полупроводника относятся уменьшение его сопротивления с увеличением температуры, освещенности, напряженности электрического поля. Характерно, что добавление примеси в чистый металл увеличивает его удельное сопротивление, добавление же примеси в чистый полупроводник резко уменьшает его.

К полупроводникам относятся: селен, германий, кремний, теллур, а также ряд окислов, сульфидов и карбидов.

Свойства полупроводника можно объяснить, исходя из зонной теории твердого тела. В изолированном атоме электроны могут обладать только вполне определенными значениями энергии. Эти дозволенные значения энергии называются энергетическими уровнями. На каждом уровне может находиться не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов. При образовании кристаллической решетки из отдельных атомов их энергетические уровни объединяются, образуя полосы – энергетические зоны, разделенные участками с недозволенными значениями энергии, называемые запрещенными зонами (рис.1). Число уровней в зоне равно числу атомов в кристалле. Так как число атомов в кристалле велико ( ), то уровни в зоне практически распределены непрерывно. Уровни валентных электронов образуют валентную или заполненную зону 1. Выше ее, за запрещенной зоной находится зона проводимости 2 (рис.1). Она всегда свободна от электронов.

Для того чтобы электроны могли перемещаться в зоне проводимости, необходимо в нее перевести часть электронов из валентной зоны. Это достигается путем сообщения им добавочной энергии , не меньше ширины запрещенной зоны .Если ширина запрещенной зоны не очень велика, то дополнительная энергия может быть сообщена за счет световой энергии. При поглощении световой энергии часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и под действием электрического поля начинает в ней перемещаться, обуславливая возникновение электрического тока. В валентной же зоне на уровнях образуются свободные места, которые называются дырками.

Дырки быстро заполняются электронами из соседних уровней. На освободившиеся места приходят электроны из более низких уровней и т.д. В результате наблюдается перемещение дырок, которое эквивалентно движению положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Направление движения дырок совпадает с направлением движения внешнего поля. Таким образом, при сообщении добавочной энергии становится возможным перемещение электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов в зоне проводимости, называется электронной проводимостью. Дырочная проводимость обусловлена движением дырок в валентной зоне. В чистом полупроводнике одновременно существует электронная и дырочная проводимость. Их называют собственной проводимостью полупроводников.

При введении в кристаллическую решетку полупроводника атомов примеси образуются дополнительные энергетические уровни, что ведет к изменению его электропроводности. Если заполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи зоны проводимости, то из них электроны легко могут переходить в зону проводимости, обуславливая электронную или так называемую « »-проводимость полупроводника. Такой проводник получил название -типа, а дополнительные уровни – донорныхуровней. Если же незаполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи валентной зоны, то электроны из валентной зоны легко переходят на эти уровни. В валентной зоне образуются дырки, которые обуславливают дырочную или проводимость -типа. Такой примесный полупроводник называют полупроводником -типа, а дополнительные уровни – акцепторных уровней.

При соединении двух полупроводников с и - проводимостью в месте контакта образуется тонкий запирающий слой толщиной – см. Этот слой обладает односторонней проводимостью. Он свободно пропускает электроны из -проводника и -проводник. Дырки беспрепятственно проходят в обратном направлении. При освещении места контакта светом сопротивление его уменьшается и электропроводность проводника увеличивается. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта. В области контакта возрастает число свободных носителей тока. Это вызовет нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и возникновения фото-э.д.с. Фото-э.д.с. поддерживается действием света. Возник элемент, способный служить источником тока. На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений, фотодиодов, полупроводниковых фотоэлементов, фототранзисторов.

Фотосопротивления, в отличие от газонаполненных фотоэлементов, не имеют тока насыщения. Для них величина фототока пропорциональна приложенному напряжению. Так как электроны, освобожденные светом. Находятся в свободном состоянии, то они обладают инерционностью.

Основные свойства фотосопротивления – световая и спектральная характеристики, а также его удельная интегральная чувствительность.

Под световой характеристикой фотосопротивления понимают зависимость величины его сопротивления от величины падающего светового потока, т.е. . Спектральной характеристикой фотосопротивления называют зависимость его сопротивления от длины волны (частоты) падающего света . Аналогичными характеристиками обладает и полупроводниковый фотоэлемент. Удельной интегральной чувствительностью фотосопротивления называется физическая величина, численно равная отношению величины фототока , даваемого сопротивлением, к величине падающего на него светового потока при напряжении , приложенного к сопротивлению, равному единице.

(1)

где – сила фототока в цепи, – величина светового потока, – приложенное в цепи напряжение.

Учитывая, что

, (2)

для получим

(3)

где – расстояние от источника света до фотоэлемента, – сила света источника, – рабочая площадь светочувствительного слоя фотоэлемента.

Основной характеристикой полупроводникового фотоэлемента, наряду с вышеперечисленными, является также его интегральная чувствительность.

Под интегральной чувствительностью полупроводникового фотоэлемента понимают отношение силы фототока к величине падающего светового потока, т.е.

(4)

где – фототок, вызванный данным элементом, – темновой ток, т.е. ток, показываемый микроамперметром при включенном источнике света.

Учитывая формулу (2) для имеем:

(5)

где – расстояние от источника света до фотоэлемента;

– площадь светочувствительного слоя фотоэлемента;

– сила света источника.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В работе исследуются основные свойства и характеристики фотосопротивления типа ФСК-1 и ФСК-2, а также полупроводникового фотоэлемента. Установка для проведения исследований состоит из оптического рельса, на котором размещены осветитель типа ОИ-24 с ирисовой диафрагмой и исследуемые фотоэлементы. Величина фотосопротивления измеряется с помощью вольтметра типа ВК7-10А. Внешний вид передней стенки прибора показан на рисунке 3.

Вольтметр ВК7-10А – электронно-цифровой прибор, служащий для измерения постоянного и переменного напряжения и сопротивления. Прибор имеет переключатель 1 пределов измеряемых величин: напряжение на постоянном и переменном токах – 10, 100, 1000В и сопротивлений 1кОм, 10, 100кОм и 1Мом; переключатель вида напряжений и измеряемых величин 2,сетевой выключатель 3, переключатель режимов работы 4. Измеряемые величины подключаются специальным разъемом к гнезду 5. Гнезда 6 служат для калибровки прибора на соответствующих пределах измерения. Отчет измеряемой величины производится с помощью электронного табло7. При этом слева от табло высвечивается вид измеряемого напряжения, справа – вид измеряемой величины напряжения, сопротивления.

Сила фототока полупроводникового фотоэлемента измеряется с помощью микроамперметра стрелочного типа с пределом измерения 220мкА.

Фотосопротивление ФСК состоит из стеклянной пластинки, на которую нанесен слой полупроводника. На два противоположные края этого слоя наложены электроды, с помощью которых фотосопротивление включается в электрическую цепь. Для защиты от повреждений фотосопротивление помещают в чехол из пластмассы. Если фотосопротивление не освещено, то величина его сопротивления очень велика (темновое сопротивление).

Полупроводниковый фотоэлемент состоит из контакта двух разнородных полупроводников и -типа, нанесенных на стеклянную подложку. В месте контакта образуется тонкий запорный слой. При освещении места контакта начинается перемещение электронов из полупроводника -типа в полупроводник -типа. Дырки же не могут преодолеть контактную разность потенциалов и остаются в -полупроводнике. В результате возникает фото-э.д.с. Присоединение к потребителю полупроводникового фотоэлемента осуществляется с помощь. Электродов, наложенных на и -слои. Для защиты же повреждений все устройство помещено в пластмассовый корпус.

Спектральный состав излучения изменяется с помощью светофильтров.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включают вольтметр тумблером и дают прогреться в течение 30 минут. Переключатель 1 устанавливают в положение 10кОм. Переключатель 2 – в положение «Установка нуля».

2. После прогрева с помощью шлица калибровкой 10кОм установить нулевой показание шкалы. Затем перевести переключатель 2 в положение .

Упражнение 1. Исследование сетевой характеристики

Фотосопротивления

1. На оптической скамье размещают осветитель и исследуемое сопротивление, которое соединяют специальным гнездом вольтметра.

2. Открывают полностью ирисовую диафрагму осветителя.

3. Устанавливают расстояние от центра лампы осветителя до фотосопротивления 10см и измеряют величину _.

4. Изменяя расстояние через каждые 10см, измеряют для каждого из них свое значение .

5. По формуле (2) для каждого вычисляют величину светового потока.

6. По полученным данным строят световую характеристику фотосопротивления, т.е. зависимость .

7. Аналогичное измерение проводят и с другим сопротивлением.