Изучение свойств фоторезистора

Цель работы – изучение вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фоторезистора.

Краткое теоретическое введение

Постановка задачи

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием света. Конструктивные элементы фоторезистора показаны на рис. 1. На изолирующую подложку 1 наносится тонкий слой полупроводника 2 (фоточувствительный слой), по краям которого наносятся металлические электроды 3. Для защиты фоточувствительного слоя его покрывают тонким слоем лака, прозрачного в области спектральной чувствительности материала. Резистор помещают в защитный корпус с открытым окошечком. Электроды 3 соединяют с выводными клеммами, которые подключают к источнику напряжения (рис. 1).

Наиболее распространены фоторезисторы, изготовленные из сульфида свинца, сульфида кадмия, сульфида висмута и селенида кадмия. Они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе в схемах для регистрации светового потока, интенсивности света и его спектрального состава. Их применяют в фотопирометрах, рефрактометрах, фотокалориметрах, дымномерах и т.д. Они широко применяются в фотоэлектронной автоматике и телемеханике, в которой различные сочетания фотоэлементов и усилителей, реагируя на световые потоки, оказывают действие на системы управления и регулирования различных промышленных установок.

Под действием света в полупроводнике генерируются свободные носители заряда. Это явление называется внутренним фотоэффектом, а дополнительная проводимость, приобретенная полупроводником под действием света, называется фотопроводимостью. Рассмотрим это явление на примере собственного (химически чистого) полупроводника.

При температуре абсолютного нуля ( ) все энергетические уровни валентной зоны (ВЗ) заняты электронами, а зона проводимости (ЗП) свободна (рис. 2а). Для образования свободных носителей тока электронам валентной зоны необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны (ЗЗ) шириной . Поэтому при отсутствии освещенности (в темноте), при полупроводник является изолятором.

При нагревании полупроводника из-за теплового возбуждения атомов отдельные электроны получают дополнительную энергию, достаточную для перехода в зону проводимости (рис. 2б). При определенной температуре в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне . Электропроводность полупроводника , обусловленная тепловым возбуждением, называется тепловой проводимостью и определяется выражением

, (1)

где и - подвижности электронов и дырок соответственно; – заряд электрона.

При освещении полупроводника наряду с термической ионизацией появление свободных носителей обусловлено внутренним фотоэффектом. Поглощая квант света энергией , атом ионизируется, и один из его валентных электронов переходит в зону проводимости (рис. 2в), а в валентной зоне возникает дырка. Такой переход электрона будет возможен, если энергия фотона равна или немного больше ширины запрещенной зоны:

. (2а)

По аналогичной схеме процесс фотоионизации протекает и в примесных полупроводниках. В донорных полупроводниках фотоны переводят электроны с донорных уровней в зону проводимости (рис. 3а), а в акцепторных – вызывают переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни (рис. 3б). В первом случае возрастает концентрация свободных электронов, во втором – концентрация дырок. Процесс примесной фотоионизации происходит при условии

, (2б)

где - энергия активизации примесных атомов.

Кроме процессов генерации свободных носителей зарядов, имеет место и обратный процесс – их рекомбинация. Средний промежуток времени от момента генерации носителя до его рекомбинации называется временем жизни. Обозначим и , соответственно, времена жизни электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Пусть в единицу времени в единице объема собственного полупроводника генерируется пар носителей заряда. Тогда, если интенсивность света не меняется с течением времени, значения избыточных концентраций электронов и дырок будут равны

, . (3)

Генерация пар «электрон-дырка» пропорциональна количеству квантов света, поглощенных в единицу времени в единице объема,

, (4)

где - коэффициент поглощения, - квантовый выход, т.е. число пар «электрон-дырка», создаваемых одним квантом, или число носителей заряда одного знака в примесном полупроводнике (рис.3). Для используемого диапазона энергий фотона в нашей работе .

Таким образом, под действием света концентрации электронов и дырок в полупроводнике изменятся и станут равными и , а электропроводность

. (5)

С учетом (1)

, (6)

где второе слагаемое и есть фотопроводимость

или с учетом (3)

. (7)

Отсюда видно, что кинетика фотопроводимости определяется временем жизни. В полупроводниках, из которых оказалось возможным изготовить фоторезисторы, носители заряда обладают достаточно большим временем жизни ( с).

Если к фоторезистору приложить напряжение U, то будет возникать световой ток :

, (8)

где - темновой ток; - фототок.

Если , то световой ток практически совпадает с фототоком.

Интегральная удельная чувствительность фоторезистора определяется как отношение величины фототока к произведению падающего светового потока и приложенного напряжения

, (9)

здесь создается при освещении фоторезистора светом от лампы накаливания с вольфрамовой нитью, имеющей температуру в пределах .

Основными характеристиками фоторезистора являются: вольт-амперная, световая и спектральная.

1. Вольт-амперной характеристикой называется зависимость силы тока (фототока), протекающего через фоторезистор, от приложенного напряжения при постоянном световом потоке

.

В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Вольт-амперная характеристика как в отсутствие света, так и на свету имеет линейный характер. Это видно из уравнения (8), т.к. и при постоянных температуре и световом потоке не зависят от приложенного напряжения.

2. Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения

.

Световая характеристика является нелинейной. Это объясняется тем, что с ростом светового потока растет концентрация генерируемых носителей заряда и , но возрастает и вероятность их рекомбинации, и, как следствие этого, уменьшаются времена жизни и , что приводит к замедлению роста фотопроводимости (7) и величины фототока.

На рис. 4 дан вид световых характеристик фотосопротивления при различных напряжениях ( ). В большинстве случаев зависимость фототока от величины светового потока можно выразить приближенной формулой

, (10)

где , но всегда величина положительная.

Интегральная чувствительность фотосопротивления убывает с ростом светового потока (9), однако она в сотни и тысячи раз больше чувствитель­ности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

3. Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны падающего излучения при постоянной освещенности

.

Фототок появляется, начиная с длины волны , что соответствует формуле (2а), - длинноволновая граница поглощения или край собственного поглощения. Следовательно, зависимость фототока от длины волны должна иметь вид ступени (пунктир на рис.5). Но такая зависимость возможна лишь при абсолютном нуле. При увеличении температуры тепловое движение «размывает» край собственного поглощения (сплошная кривая на рис.5). Длина волны определяется по спаду кривой. В случае примесного полупроводника сдвинута в сторону более длинных волн, т.к. для ионизации с примесных уровней достаточны фотоны с меньшей энергией (2б).

У реальных фоторезисторов наблюдается уменьшение фототока в области коротких длин волн ( ), хотя энергии квантов этого света более чем достаточно для возникновения фотопроводимости. Это связано с тем, что с уменьшением возрастает коэффициент поглощения , и вся световая энергия поглощается не в объеме, а лишь в тонком поверхностном слое полупроводника. При этом толщина слоя тем меньше, чем меньше длина волны падающего света. Поскольку при заданной освещенности генерация неравновесных носителей заряда пропорциональна коэффициенту поглощения , то вблизи поверхности образуется повышенная концентрация неравновесных носителей заряда, которые эффективно рекомбинируют на поверхностных состояниях, не успевая диффундировать в объем.

На рис.6 показана зависимость коэффициента поглощения (сплошная кривая) и фотопроводимости (пунктирная кривая) от длины волны .

Таким образом, каждый фоторезистор характеризуется длиной волны, соответствующей минимуму спектральной чувствительности. По типу спектральной характеристики они делятся на фоторезисторы для видимой и для инфракрасной части спектра.

Практическая часть

1. Приборы и описание установки

Схема установки приведена на рис. 7. Внешний вид – на рис. 8. Установка состоит из цилиндрического корпуса, трубы Т, на концах которой имеются насадки. В одной насадке расположена лампа накаливания Л на 6 В, в другой - фоторезистор ФР. В этой же насадке имеется щель Щ для светофильтра. Регулировка напряжения на фоторезисторе (ФР) и напряжения на лампе накаливания (Л) осуществляется с помощью ручек регулятора, находящихся на лицевой панели выпрямителя.

2. Порядок выполнения работы и обработка

результатов измерения

В данной работе снимаются вольт-амперная, световая и спектральная характеристики фоторезистора.

Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики.

1. Задать напряжение накала лампы (указано на установке) по вольтметру V₂.

2. Изменяя напряжение на фоторезисторе через каждые 5 В от 10 В до 50 В (по показаниям вольтметра V₁), снять значения фототока по показаниям микроамперметра.

3. Задать другое напряжение накала лампы (указано на установке) и повторить все измерения п. 2.

4. Результаты измерений занести в табл. 1.

5. По данным эксперимента построить вольт-амперные характеристики для двух значений напряжения накала лампы.

Таблица 1

Вольт-амперные характеристики

№ измерений	Напряжение на фоторезисторе , В	Первое измерение =	Второе измерение =
Фототок , мкА	Фототок , мкА
…

Задание 2. Снятие световой характеристики.Для получения ее необходимо измерить ток, текущий через фоторезистор при изменяющемся световом потокеФ. Не измеряя непосредственно световой поток, можно судить об относительном изменении светового потока по относительному изменению напряжения накала на лампе. Для данного фоторезистора , поэтому с учетом (10) можно записать

, (11)

где - напряжение накала на лампе, - начальное напряжение накала на лампе, которому отвечает некоторое значение светового потока.

Для снятия световой характеристики необходимо:

1. Задать по вольтметру V₁ на фоторезисторе напряжение (указано на установке).

2. Снять зависимость фототока (мкА) от напряжения накала лампы, изменяя его через каждые 0,5 В от 2 В до 4 В.

3. Выставить по вольтметру V₁ на фоторезисторе напряжение (указано на установке) и повторить все измерения п. 2.

4. Результаты измерений занести в табл. 2.

5. По данным эксперимента, для двух значений U ( и ) построить световые характеристики, т.е. зависимость фототока I от относительной величины светового потока .

Таблица 2

Световые характеристики

№ измерений	=
Фототок , мкА	Напряжение , В	Отношение
…
=
…

Задание 3. Снятие спектральной характеристики.Для ее получения фоторезистор освещают монохроматическим светом и измеряют соответствующий ток. Монохроматический свет в работе получают с помощью светофильтров с одинаковым коэффициентом пропускания. Светофильтры помещаются перед фоторезистором в специальную щель Щ (рис.7, 8), имеющуюся во второй насадке.

Для снятия спектральной характеристики необходимо:

1. Выставить по вольтметру V₂ напряжение накала лампы (указано на установке) и по вольтметру V₁ ­ напряжение на фоторезисторе (указано на установке), которые должны быть постоянными в течение измерений.

2. Последовательно помещать в щель Щ различные светофильтры и по микроамперметру измерять величину фототока.

3. Результаты измерений занести в таблицу 3.

4. По данным эксперимента построить спектральную характеристику, зависимость .

Таблица 3

Спектральная характеристика

№ измерений	= =
, нм	, мкА
…

По всем результатам эксперимента сделать вывод.

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффект? Где и когда он наблюдается?

2. Как устроен фоторезистор? Где он находит применение?

3. Объясните механизм образования фотопроводимости.

4. Что такое собственная проводимость полупроводника?

5. Как возникает электронная и дырочная проводимости?

6. Почему при «размывается» край собственного поглощения?

7. Чем объясняется наличие темнового тока.

8. Объясните линейный характер вольт-амперной характеристики.

9. Объясните характер световой характеристики.

10. Объясните характер спектральной характеристики в собственной и примесной области поглощения.

11. Почему у металлов не наблюдается внутренний фотоэффект?

12. Что такое рекомбинация и время жизни носителей заряда?

13. Почему наблюдается уменьшение фотопроводимости при уменьшении l?

Список литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6-3