Проведение измерений и обработка результатов
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО
ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ
Цель работы: снятие вольт-амперных и световых характеристик фотосопротивления и определение его интегральной и удельной чувствительности.
Приборы: фотосопротивление, установка для его изучения.
Теоретические сведения
Фотосопротивление(ФС) – это полупроводниковый прибор, уменьшающий своё электрическое сопротивление под действием света (рис. 71).
Рис. 71
Для его изготовления на изолирующую подкладку 1 наносится тонкий слой полупроводникового материала 2, на краях которого находятся металлические контакты 3. При освещении слоя полупроводника в нём возрастает ток, что указывает на появление добавочной электрической проводимости, получившей название фотопроводимости. Фотопроводимость полупроводников обусловлена явлением внутреннего фотоэффекта, т. е. генерацией под действием света неравновесных свободных носителей заряда. После выключения света неравновесные носители рекомбинируют, и проводимость полупроводника возвращается к своему первоначальному равновесному значению.
В отличие от внешнего фотоэффекта, когда электроны под действием света покидают вещество, в освещённых кристаллических полупроводниках и диэлектриках оптически возбуждённые электроны остаются внутри кристалла, не нарушая его электронейтральности – это внутренний фотоэффект. Под действием света изменяется концентрация или подвижность свободных носителей заряда в веществе, что приводит к увеличению его проводимости.
Объяснение фотопроводимости полупроводников может быть дано в рамках зонной теории твёрдого тела. В беспримесном (чистом) полупроводнике валентная зона почти целиком заполнена электронами, а зона проводимости практически не содержит их. Поэтому такой полупроводник обладает слабой собственной проводимостью. Добавление самых ничтожных количеств (тысячные доли процента) примесей некоторых элементов в чистые полупроводники во много раз увеличивает их проводимость, которая получила название примесной проводимости и нашла очень широкое применение в науке и технике.
Примеси могут играть двоякую роль: они либо служат дополнительными поставщиками электронов, либо центрами "прилипания" имеющихся. Первые называются донорными примесями, а полупроводники с добавлением их – электронными или n-типа; вторые – акцепторными, а полупроводники – p-типа. Изменение проводимости под действием света в собственных полупроводниках связано с перебросом электронов из валентной зоны в зону проводимости и образованием пар разноимённых носителей: электронов и "дырок". Но характер фотопроводимости различен для полупроводников n- и p-типа.
В электронном полупроводнике (рис. 72,а) имеются примесные донорные уровни энергии, находящиеся вблизи дна зоны проводимости. При образовании под действием света электронно-дырочных пар (см. стрелку 1) происходит рекомбинация донорных электронов с образовавшимися дырками (см. стрелку 2). Поэтому фотопроводимость в полупроводнике n-типа носит чисто электронный характер; она обусловлена движением электронов, находящихся в зоне проводимости.
а б
Рис. 72
В дырочном полупроводнике (рис. 72,б) поглощение фотонов вызывает переход части электронов из валентной зоны в зону проводимости (стрелка 1), а оттуда на акцепторные примесные уровни энергии (стрелка 2), расположенные вблизи верхнего края валентной зоны. В валентной зоне остаются положительные дырки, движением которых обусловлена фотопроводимость в полупроводниках p-типа.
Рис. 73
В отличие от вакуумных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, фотосопротивления не обладают током насыщения. Их вольтамперные характеристики представлены на рис. 73. Как видим, фототок 
пропорционален 
, то есть зависит не только от светового потока, но и от приложенного напряжения.
Темновым током называется очень малый ток, возникающий в ФС при отсутствии освещения и обусловленный ничтожно малой концентрацией носителей заряда в полупроводнике при температурах выше абсолютного нуля.
Зависимость же фототока от светового потока (световые характеристики фотосопротивления) имеет нелинейный характер (рис. 74). Эта зависимость IФ от величины светового потока Ф может быть выражена приближённой формулой 
, где 0<α<1.
Рис. 74
Нелинейный характер световых характеристик объясняется тем, что внутренний фотоэффект сопровождается рядом сопутствующих явлений, из которых основным является рекомбинация электронов и дырок.
Фотопроводимость всегда прибавляется к темновой проводимости, существующей вследствие теплового возбуждения. Для снижения роли темновой проводимости фоторезисторы делаются тонкоплёночными.
Возбуждённые светом носители через некоторое время, называемое временем жизни (10-3 
10-7с), рекомбинируют. Это обусловливает некоторую инерционность исчезновения и возникновения фотопроводимости в полупроводниках.
К достоинствам ФС следует отнести высокую чувствительность к изменениям света (в сотни и тысячи раз больше, чем у фотоэлементов с внешним фотоэффектом), хорошие спектральные характеристики, большой срок службы, малые габариты. Недостатками их являются инерционность, сильная зависимость фототока от температуры окружающей среды и нелинейная зависимость фототока от интенсивности светового потока.
ФС получили широкое применение в кино, телевидении, автоматике, для управления на расстоянии производственными процессами, для измерения освещённости. Для создания ФС в области видимого спектра применяются сернистый кадмий, сернистый таллий, в инфракрасной области – сернистый и селенистый свинец.
Описание прибора
Установка для изучения фотосопротивления состоит из осветителя, световодной трубы с прорезью для поглощающих дымчатых фильтров с заданными коэффициентами поглощения и фотосопротивления, смонтированного в конце трубы (рис. 75).
Рис. 75
Электрическая часть установки представляет собой цепь, собранную по схеме, изображённой на рис. 76. В источнике питания ИП предусмотрены клеммы для подключения осветительной лампочки.
Рис. 76
В работе используется фотосопротивление ФСК-1 (из сернистого кадмия).
Проведение измерений и обработка результатов
1. Не подключая осветительную лампочку к ИП, поставить движок реостата на минимум и включить источник питания в сеть, меняя потенциометром напряжение, подаваемое на ФС, снять характеристику темнового тока, то есть 
. Напряжение менять от 0 до 15 В через каждые 3 В.
2. Включить осветитель и снять две вольт-амперные характеристики ФС 
при двух значениях освещённости ФС (Е1=100лк и Е2=150лк). Результаты измерений занести в табл. 1.
Таблица 1
| Освещённость ФС | |||
| Е=0 | Е1=100лк | Е2=150лк | |
| Напряжение, В | |||
| Темновой ток IТ,мА | |||
| Ток при освещении IС, мкА | |||
| Фототок IФ, мкА |
Значение фототока IФ находится как разность .
3. Построить в одной системе координат графики зависимостей 
, 
, 
.
4. По графикам рассчитать темновое и два значения светового сопротивления ФС: RT, RC1 и RC2 по формуле 
.
5. Снять световые характеристики ФС при двух значениях напряжения 10В и 15В, изменяя освещённость ФС последовательной установкой светопоглотительных фильтров от наименее к наиболее плотному. Номера светофильтров и соответствующая освещённость указаны на приборе. Результаты опытов занести в табл. 2.
6. Построить график зависимости 
.
7. Согласно формуле 
зависимость 
представляет уравнение прямой линии в координатах 
. Рассчитать для каждого значения Е1 соответствующие значения Фi по формуле 
, где S – площадь рабочей поверхности ФС (для ФСК-1 она равна S=28,8мм2). Результаты расчётов занести в табл. 3. Построить графики 
. Из графиков найти 
и 
и вычислить их средние значения.
Таблица 2
| U1=10В | U2=15В | |||||||||||
| Темновой ток IT, мкА | ||||||||||||
| Освещённость Е, лк | ||||||||||||
| Ток при освещении IC, мкА | ||||||||||||
| Фототок IФ, мкА | ||||||||||||
8. Вычислить интегральную чувствительность ФСК-1 при напряжениях 10 В и 15 В и освещённости 100 лк по формуле 
.
Таблица 3
| Фототок IФ, мкА | ||
| Световой поток, поданный на ФС Ф, лм | ||
| LgФ | ||
| LgIФ |
9. Вычислить в СИ удельную чувствительность ФС по формуле 
для тех же значений напряжения и освещённости.
Контрольные вопросы и задания
1. Рассказать об энергетических зонах (т.е. о зоне проводимости, валентной и запретной зонах) и степени их заполнения в полупроводниках, металлах и диэлектриках.
2. Каков механизм фотопроводимости в чистом полупроводнике и в полупроводнике с донорными и акцепторными примесями?
3. Как устроен фоторезистор? Как повлияет нагрев на работу фоторезистора?
4. Что такое вольт-амперные и световые характерис- тики ФС? Как их получить, какой они имеют вид? Чем объясняется нелинейный характер световых характеристик?
5. Каковы важнейшие характеристики ФС? Как их определить опытным путём? Что такое интегральнаяя удельная чувствительность?
6. Объяснить принципы действия фотоэлементов различных типов.
7. Что такое энергия активации?
8. Рассказать об устройстве ФС, об их достоинствах и недостатках.
9. Рассказать о применении ФС.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23