Изучение характеристик электролюминесцентных излучателей

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

____________________________________________

Кафедра “Физика-2”

 

А.В. Пауткина, В.Г. Колотилова, С.В. Мухин,

В.А. Никитенко, И.В. Пыканов

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

 

по дисциплине

"ФИЗИКА"

 

Работы 39, 45, 54, 56, 59

 

для студентов II курса всех специальностей институтов

 

М о с к в а - 2 0 0 3

 

УДК 539.2:621.382

П-21

 

 

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине “Физика”. Работы 39,45,54,56,59. Пауткина А.В. (39, 45), Колотилова В.Г. (59), Мухин С.В. (54), Никитенко В.А. (54),

Пыканов И.В. (56) -М.: МИИТ, 2003. – 80 с.

 

Методические указания к лабораторным работам по физике №№ 39, 45, 54, 56, 59 соответствуют программе и учебным планам по курсу общей физики (раздел "Квантовая физика и физика твердого тела") и предназначены для всех специальностей институтов ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТиОП, Вечерний.

 

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2003

РАБОТА №39

 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

 

Цель работы: изучение вольт-яркостных и частотно-яркостных зависимостей электролюминесцентных излучателей (ЭЛИ), изготовленных на основе порошковых электролюминофоров с разными цветами свечения.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Давно замеченное "холодное свечение" - свечение микроорганизмов в море и на суше (планктон, светлячки, гнилушки в лесу), свечение некоторых минералов, свечение фосфорсодержащих красок - было количественно описано лишь в 20-х, 30-х годах нашего века. Крупный вклад в изучение этого явления, получившего название люминесценции, внес Сергей Иванович Вавилов, советский физик, описавший основные закономерности люминесценции, возникающей, в частности, при взаимодействии света с люминофором. В последнее время в связи с исследованием новых веществ были открыты и новые механизмы люминесценции, однако определение люминесценции, данное Вавиловым, подчеркивает основную особенность этого явления – это излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела:

"Люминесценцией тела в данной спектральной области называется избыток излучения над температурным при условии, что это избыточное излучение обладает конечной длительностью, значительно превышающей период световых колебаний".

Первая часть определения люминесценции отделяет ее от теплового равновесного излучения и указывает на то, что понятие люминесценция применимо только к совокупности атомов (молекул), находящихся в состоянии, близком к равновесному. При сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или люминесценции не имеет смысла. В видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температурах порядка К, люминесцировать же в этой области тело может при любой температуре, поэтому люминесценцию иногда называют холодным свечением.

Вторая часть определения – признак длительности – была введена С.И. Вавиловым, чтобы отделить люминесценцию от различных видов рассеяния, отражения, параметрических преобразований света, тормозного излучения и излучения Вавилова-Черенкова.

Можно различать виды люминесценции по способу возбуждения: электролюминесценция, возникающая при электрическом возбуждении (люминофор получает энергию от электрического поля); фотолюминесценция - возбуждение светом (люминофор поглощает кванты света и преобразует их энергию в люминесцентное излучение); если речь идет о возбуждении люминофора светом с достаточно короткими длинами волн ( м), волнами рентгеновского диапазона, то это рентгенолюминесценция; хемилюминесценция, при которой люминофор получает энергию химических реакций; если люминофор получает энергию химических реакций веществ органического происхождения, то явление носит название биолюминесценции (биолюминесценция сопровождает, например, процессы гниения); свечение люминофора под действием потока заряженных частиц носит название катодолюминесценции (свечение экрана осциллографа или телевизора); выделяют также триболюминесценцию - люминесцентное вещество поглощает энергию, выделяющуюся при трении.

Для более подробного объяснения механизма люминесценции удобно пользоваться энергетической зонной диаграммой кристалла, представляющей собой энергетический спектр электрона в твердом теле. При описании процессов, происходящих в люминофоре (являющимся полупроводником или диэлектриком), достаточно ограничиться рассмотрением трех энергетических зон: на рисунке 1 это:

зона проводимости (ЗП), при комнатных температурах практически незаполненная электронами; валентная зона (ВЗ), заполненная электронами практически полностью; запрещенная зона (ЗЗ), в которой расположены лишь отдельные разрешенные энергетические уровни, причиной появления которых могут быть примеси или собственные дефекты кристаллической решетки люминофора. Часть этих локальных уровней также может быть заполнена электронами.

 

 

Стрелками на рисунке 1 показаны возможные переходы электронов, происходящие при поглощении люминофором энергии (1, 2, 3, 7) и возможные переходы электронов, происходящие при их последующей рекомбинации (4, 5, 6, 8). Переходы 1, 4 соответствуют ионизации (1) атома решетки кристалла, энергетические уровни которого находятся в ВЗ, и последующей рекомбинации (4). Переходы 2, 5 - ионизация (2) и рекомбинация (5) на уровнях примесей, дефектов решетки, расположенных в ЗЗ. Переходы 3, 6 означают, что электрон переходит на вышележащий энергетический уровень (3), причем и основное и возбужденное состояние соответствуют уровням, лежащим в ЗЗ, а затем переходит обратно (6) с излучением фотона. Люминесценция, сопровождающая переходы 4, 5 называется рекомбинационной; свечение, возникающее в результате перехода 6, называется внутрицентровой люминесценцией (оба уровня, и основной, и возбужденный, принадлежат одному центру свечения). Более подробное рассмотрение совокупности возможных переходов приведено в работах [2 – 6,8] из списка литературы.

В ЗЗ любого кристаллофосфора присутствуют уровни, рекомбинация на которых происходит как с испусканием кванта света (излучательная рекомбинация), так и без испускания кванта света (безызлучательная рекомбинация). В последнем случае вся выделяющаяся энергия превращается в энергию колебаний атомов кристалла. Преобразование поглощенной энергии в световую при люминесценции может происходить с относительно большим КПД Например, обычные люминесцентные лампы, используемые для освещения помещений, имеют КПД 20%, тогда как лампы накаливания имеют КПД всего несколько процентов. Поглощение энергии химических реакций позволяет иногда получать свечение с еще большим КПД: в организме светлячка химическая энергия переходит в световую с КПД примерно в 4-5 раз большим, чем для люминесцентных ламп. Немного меньше КПД (порядка нескольких десятков процентов) в приборах, работа которых основана на электролюминесценции (инжекционная люминесценция p-n -перехода).

Рассмотрим подробнее механизм электролюминесценции. Существует несколько типов процессов, приводящих к появлению люминесценции в электрическом поле. Во всех случаях наличие электрического поля приводит или к появлению возбужденных состояний отдельных атомов (центров свечения) или к появлению дополнительных неравновесных носителей заряда в зонах разрешенных энергий.

Свечение может возникнуть из-за увеличения потенциальной энергии электронов и дырок, уже существующих в кристалле, вследствие наложения электрического поля, приводящего к уменьшению потенциального барьера, разделяющего электроны и дырки. В этом случае создаются дополнительные условия для их рекомбинации. Это происходит, например, в p-n - переходе, включенном в прямом направлении. Наложение внешнего электрического поля приводит к дополнительной диффузии носителей в область перехода и прилегающие к нему области и к возможности дополнительной рекомбинации носителей противоположного знака (электронов и дырок). Чаще всего рекомбинация происходит в одной из областей кристалла, в которую подобным образом вводятся ("инжектируются") неравновесные носители.

Если p-n -переход включить в обратном направлении, то в области перехода создается поле высокой напряженности. Если напряженность поля составляет , то в переходе могут развиваться процессы ударной ионизации атомов решетки или центров свечения ускоренными электронами.

Возбуждение атома быстрым электроном требует, чтобы в области сильного поля, где происходит ускорение электронов, были эти электроны. Они либо вводятся в область сильного поля, либо содержатся в ней на примесных уровнях и могут освобождаться теплом и полем. Введение носителей в область сильного поля возможно либо тепловым, либо туннельным путем.

В наиболее широко используемых люминофорах на основе сульфида цинка возбуждение люминесценции происходит вследствие ударного возбуждения.

Вещество, способное светиться в поле, должно иметь повышенную концентрацию примесей, создающих вкрапления, в области контакта которых с сульфидом цинка и создаются условия для концентрации электрического поля. Как правило, для цинксульфидных люминофоров это вкрапления сульфида меди.

Возможно также создание сильного поля и в зернах порошкового люминофора, распределенного в диэлектрике, а также в приготовленных по специальным технологиям тонких пленках люминофора (например, технология послойной атомной эпитаксии).

Конструкция электролюминесцентного излучателя (ЭЛИ) показана на рисунке 2.

Электродами служат металлическая пластинка (как в случае исследуемых излучателей) или напыленный на стекло непрозрачный слой алюминия (1) и прозрачный проводящий слой (2), через который люминесцентное излучение выводится наружу. Между электродами помещен слой вещества, представляющего собой или смесь люминофора с диэлектрическим связующим (именно таков этот слой в исследуемом ЭЛИ) или тонкую пленку люминофора (3).

 

 

Для нанесения люминофорно-диэлектрического слоя обычно смешивают порошковый люминофор с такими диэлектриками как лак (например, ВС-530), смола (например, ЭП-096) или легкоплавкое стекло. Толщина светящегося слоя (люминофор в смеси с диэлектриком) составляет обычно 30-50 мкм. Светящийся слой дополнительно изолирован от электродов тонкими ( мкм) слоями диэлектрика, служащими нескольким целям: в случае тонкопленочных ЭЛИ на границе люминофор - диэлектрик находится достаточное количество энергетических состояний, содержащих электроны, которые затем туннельным путем, попадая в слой люминофора и имея достаточно высокие энергии, инициируют ударные процессы в кристаллофосфоре. Дополнительный слой диэлектрика между электродом и люминофорно-диэлектрическим слоем позволяет предотвратить возможные электрические пробои при больших напряжениях. Для порошковых ЭЛИ в конструкцию вводят лишь один дополнительный диэлектрический слой, в который, как правило, добавляют светоотражающие порошки и таким образом этот слой является отражающе-изолирующим, что приводит к дополнительному увеличению яркости свечения ЭЛИ. В случае исследуемых ЭЛИ дополнительных изолирующих слоев не наносилось, поскольку был использован диэлектрик в виде легкоплавкого стекла, обладающий достаточно высоким напряжением пробоя, а величины яркостей достаточны для исследовательских целей. На рисунке 2 это слои (4). На электроды (2) подается переменное напряжение.

Если между двумя электродами поместить тонкую пленку люминофора (тонкопленочный ЭЛИ) толщиной примерно 0,5-5 мкм, то сильное поле создается во всей пленке. Технологии создания тонкопленочных электролюминесцентных излучателей являются сегодня перспективными. Как правило, тонкопленочные излучатели имеют более высокие яркости свечения по сравнению с порошковыми (яркость свечения порошковых ЭЛИ примерно 40-100 , яркость свечения тонкопленочных ЭЛИ примерно ) и большие сроки службы (для порошковых ЭЛИ это 1-2 тысячи часов, а для тонкопленочных это примерно 10 тысяч часов).

Первым наблюдал свечение p-n-перехода О. В. Лосев в 1923 г. на кристаллах карбида кремния. В то время еще не существовало теории p-n-перехода, но О. В. Лосев правильно описал наблюдавшиеся явления, связав один из видов свечения с холодным электронным разрядом в твердом теле.

Исследования электролюминесценции порошковых люминофоров, возбуждаeмых переменным напряжением, впервые были проведены Г. Дестрио в 1936 году.

Основными характеристиками ЭЛИ являются яркость свечения, вольт - яркостные и частотно - яркостные характеристики (зависимость яркости свечения от амплитуды приложенного напряжения при фиксированной частоте и зависимость яркости свечения от частоты при фиксированной амплитуде напряжения соответственно); спектр свечения; стабильность (или срок службы), под которой понимают время полуспада яркости свечения. Важной характеристикой является также зависимость яркости свечения от температуры.

Изучение кинетики затухания рекомбинационной люминесценции посвящена лабораторная работа №55 нашего физического практикума [7].

Типичная зависимость яркости свечения люминофора от температуры при фиксированных амплитуде и частоте возбуждающего напряжения приведена на рисунке 3. Практически для всех люминофоров это кривая с максимумом, лежащим в области температур ниже комнатных. И при фото- и при электролюминесценции возможно тушение свечения (спад яркости при относительно больших температурах), вызванное термическим освобождением дырок с уровней свечения (переход 7 на рисунке 1) и захватом их центрами безызлучательной рекомбинации. При электролюминесценции, возбуждаемой переменным напряжением, тушение происходит только в течение малой доли полупериода возбуждения, соответствующей малым полям, когда процессы освобождения дырок с центров свечения преобладают над процессами ионизации в кристалле, приводящими к появлению неравновесных электронов и дырок. При этом под действием сильного поля дырки движутся к поверхности кристалла и вероятность их рекомбинации с электроном мала. После снижения напряжения дырки могут возвратиться в кристалл и попасть на уровни центров свечения (переход 8 на рисунке 1). В течение всего времени, пока не началось возбуждение под действием напряжения противоположного направления, когда в область, где находятся возбужденные центры свечения, будут возвращаться электроны и рекомбинировать на их уровнях, возможно тепловое освобождение дырок из центров свечения и переход их на другие центры, в том числе и безызлучательные. Поскольку время, в течение которого происходит тушение, соответствующее описанным выше процессам (условия относительно малых полей), составляет часть периода, то оно зависит от частоты приложенного напряжения и уменьшается с увеличением частоты. Вероятность освобождения дырок из центров свечения под действием тепла зависит, естественно, и от температуры люминесцентного слоя: чем выше температура, тем больше вероятность термического освобождения дырок и, следовательно, тушения. Этим объясняется спад яркости при высоких температурах на рисунке 3. Уменьшение яркости при низких температурах связано с уменьшением числа электронов, попадающих в область сильного поля и затем ускоряемых полем.

Промышленные люминофоры, на основе которых изготавливаются различные устройства, представляют собой кристаллические порошки, состоящие из частиц разных форм и размеров: средний размер частиц составляет около 10 мкм. При одном и том же напряжении, приложенном к различным частицам, интенсивности люминесценции частиц различного размера будут различаться. Распределение напряжения между частицей и окружающим ее диэлектриком также будет зависеть от ее размера и формы. Вследствие этого регистрируемое излучение всего люминесцентного слоя оказывается усредненным по их параметрам и может сильно отличаться по своим характеристикам от характеристик свечения отдельных частиц люминофора.

 

 

Эмпирическая зависимость яркости свечения B слоя люминофора от величины приложенного напряжения ко всему слою U имеет вид

 

~ , (1)

 

где b - постоянная величина, характерная для данной марки люминофора и конструкции ЭЛИ в целом.

В цинксульфидных люминофорах, легированных медью и хлором (ZnS:Cu,Cl), ударный механизм возбуждения является основным. На границах зерен с диэлектриком и вкраплениями Cu S образуются потенциальные барьеры. В этих областях происходит ускорение носителей заряда (электронов), источником которых являются локальные уровни на границе раздела люминофор - диэлектрик или сульфид меди. Если энергия, которую набрал электрон, пройдя область сильного электрического поля, достигает некоторого порогового значения, то происходит ударная ионизация, а при последующей рекомбинации испускается квант света.

 

Величина напряженности электрического поля в области его концентрации (барьере) зависит от величины приложенного к кристаллу напряжения. Таким образом, с увеличением напряжения растет и напряженность электрического поля, поэтому увеличивается скорость электронов, соответственно растет вероятность ударной ионизации и, следовательно, яркость свечения (формула (1)). При высоких напряжениях за каждый полупериод из ловушек одновременно освобождаются все находящиеся там электроны, происходит истощение источника электронов, что может привести к замедлению роста яркости. При таких напряжениях начинают играть роль также и другие факторы, например, перераспределение напряжения между областью барьера и объемом зерен. Типичная зависимость B(U) приведена на рисунке 4.

Зависимость яркости свечения от частоты возбуждающего напряжения, характерная для всех люминофоров, приведена на рисунке 5.

В рабочем интервале частот (область 1 на рисунке 5) она может быть аппроксимирована зависимостью вида

 

~ , (2)

где c - постоянная, определяемая типом люминофора и конструкцией излучателя.

Для исследуемого в работе люминофора в данном интервале частот она практически линейна (). Пусть за время , в течение которого происходит ударное возбуждение и излучательная рекомбинация за один полупериод возбуждающего напряжения, происходит испускание n квантов света. Тогда в единицу времени будет испущено квантов света (половина будет испущена при рекомбинации на одной стороне кристалла, вторая половина - при рекомбинации на другой стороне кристалла, где также существует потенциальный барьер, работающий при изменении полярности приложенного напряжения). Если время не зависит от длительности полупериода, то с ростом частоты общее время, в течение которого возможно возбуждение и излучение, будет расти линейно, что приведет к росту числа испущенных квантов света. Яркость растет с ростом частоты из-за увеличения числа вспышек в секунду. Причин независимости времени от длительности полупериода может быть две: во-первых, по мере накопления электронов внутри изолированных зерен люминофора будет формироваться внутреннее поляризационное поле, направленное противоположно внешнему. Если в сумме они дают поле, недостаточное для того, чтобы электроны набрали скорость, необходимую для осуществления ударной ионизации, то возбуждение свечения прекратится. Тогда время определяется временем формирования поляризационного поля и не зависит (в первом приближении) от длительности полупериода возбуждения. Во-вторых, за каждый полупериод с уровней ловушек успевают освободиться все электроны, запасенные на них, даже при достаточно больших частотах, когда времени, отводимого на такое освобождение, мало. Происходит истощение источника электронов. В этом случае время будет определяться временем освобождения электронов с уровней ловушек. Впоследствии эти электроны поступают в область барьера. И в этом случае не будет зависеть от длительности полупериода возбуждения.

При увеличении частоты время становится сравнимым с полупериодом возбуждения, тогда на освобождение электронов, поступающих затем в область барьера и участвующих в формировании свечения, отводится все меньше времени, соответственно этому уменьшается и яркость свечения (область 2 на рисунке 5 - насыщение зависимости B(f), область 3 - спад яркости).

К спаду яркости в области больших частот может приводить также перераспределение напряжения между слоями люминофора и диэлектрика или зернами люминофора и окружающими их прослойками диэлектрика в пользу последних. Это приводит к тому, что напряжение, приложенное непосредственно к зерну, становится меньше, уменьшается и яркость свечения.

Кроме того, при увеличении частоты происходит разогрев люминесцентного слоя, из-за чего увеличивается роль температурного тушения.

Цвет свечения ЭЛИ зависит в первую очередь от химического состава основы. Исследуемые люминофоры представляют собой сульфид цинка (ZnS, ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), легированный медью, хлором и марганцем, позволяющими получить свечение в видимой области спектра. Входящая в состав люминофора медь в небольших концентрациях дает синий цвет, а при больших концентрациях зеленый цвет свечения (ZnS:Cu,Cl). Введение марганца (ZnS:Mn,Cl) приводит к желто - оранжевому цвету свечения. Максимумы спектров свечения исследуемых люминофоров приходятся на = 455 нм (синий цвет), = 510 нм (зеленый цвет), = 670 нм (желто - оранжевый цвет).

С каждым годом область применений электролюминесцентных излучателей расширяется: они могут быть использованы в качестве средств отображения информации в составе информационных систем на пунктах управления навигационными системами; в качестве индикаторов, отображающих буквенную, цифровую или графическую информацию на информационных табло (одним из достоинств электролюминесцентных излучателей является то, что они могут быть созданы практически любых плоскостных конфигурационных размеров и форм); создан электролюминесцентный телевизионный экран; электролюминесцентные излучатели могут служить подсветкой пассивных устройств отображения информации, например, жидкокристаллических, поскольку яркости последних недостаточно при обычных (дневных) уровнях освещенности; на основе электролюминесцентных излучателей созданы приборы для индикации напряженности сильных электрических полей; порошкообразные и тонкопленочные люминофоры позволяют создать усилители и преобразователи изображения.

 

Измерительная установка

Блок-схема измерительной установки приведена на рисунке 6.

Яркость свечения измеряется с помощью фотодиода, работа которого основана на явлении внутреннего фотоэффекта. Зависимость фототока фотодиода от интенсивности светового потока строго линейна в большом диапазоне изменений величин световых потоков. Для усиления сигнала с фотодиода использована схема, приведенная на рисунке 7.

Область максимальной спектральной чувствительности фотодиода, применяемого в данной работе (диод марки ФД-3), охватывает весь диапазон длин волн от 450 нм до 700 нм.

Приборы и принадлежности.

1. Электролюминесцентные излучатели, изготовленные на основе порошковых электролюминофоров с разными цветами свечения.

2. Генератор синусоидальных сигналов, служащий источником возбуждающего напряжения.

3. Вольтметр.

4. Фотодиод.

5. Микроамперметр.

6. Соединительные провода.

 

 

Подготовка приборов к измерениям.

1. Собрать измерительную установку согласно блок-схеме, приведенной на рисунке 6.

2. Включить в сеть генератор ГЗ-33, прогреть его в течение 10 минут, выставить ручки генератора согласно описанию, приведенному ниже.

3. Включить в сеть вольтметр и микроамперметр.

 

Положение шкал приборов

Ручки на передней панели генератора должны быть в следующих положениях: "Внутр.нагр. 4-выкл.; "предельное ослабление" - 6000; шкала прибора - вольты 2; расстройка %-0; "множитель частоты"- 1; "регулировка выхода"-в крайнее левое положение.

Если измерение яркости (сигнал с ФД-3) подается на прибор М-95, то установить ручки микроамперметра (М 95) в следующие положения: -в положение "нар.шунт"; шунт Р4-на "10".

Вольтметр должен находиться в режиме измерения переменного напряжения в диапазоне до 300 В.

 

Порядок выполнения работы.

Упражнение 1.

Таблица 1

Яркость свечения ЭЛИ при различных значениях приложенного напряжения и частоте f=0,4 кГц

 

№ изм.	U, В		ЭЛИ № 1 эеленый	ЭЛИ № 2 синий	ЭЛИ № 3 желтый
			В	lnB	B	lnB	B	lnB
...

Упражнение 2.

Литература

[1] Физический энциклопедический словарь.-М.:"Советская энциклопедия",1989 г.

[2] Верещагин И.К.,Кокин С.М.,Никитенко В.А. Люминесценция твердых тел и ее применение. Методические указания.-М.:МИИТ, 1989.

[3] Электролюминесцентные источники света / И.К.Верещагин, Б.А.Ковалев,Л.А.Косяченко,С.М.Кокин //-М.:Энергоатомиздат,1990.-168 с.,:ил.

[4] Верещагин И.К.,Косяченко Л.А.,Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику.-М.;Высшая школа,1991.-192 с.:ил.

[5] Верещагин И.К. Электролюминесценция твердых тел.-М.: Знание,1981.-64 с.

[6] Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники.-М.: Советское радио,1971.-372 с.

[7] Никитенко В.А. Методические указания к лабораторной работе №55. Исследование люминесценции кристаллофосфоров.-М.:МИИТ,1979.

[8]. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнев В.А., Серов Е.А. Физика твердого тела/М.:МФО, 2000.

РАБОТА №45

 

ЗАПИРАЮЩЕМ СЛОЕ

 

Цель работы. Изучение физических явлений, лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем, определение зависимости фототока от освещенности, снятие кривой спектральной чувствительности фотоэлемента и оценка ширины запрещенной зоны полупровод­ника.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Основу большинства фотоприемников, используемых в современных оптоэлектронных приборах, составляют диодные структуры. Их основное достоинство - простота устройства, что позволяет достигнуть оптимального сочетания физических и конструктивных параметров прибора и удобства в освоении новых материалов. Поскольку при решении последней задачи, если не всегда удается получить не только транзистор с удовлетворительными характеристиками, но и просто р—п переход, то предпочтение отдается барьеру, возникающему при контакте металла с полупроводником (барьеру типа Шоттки). Изготовление барьеров Шоттки основано на прие­мах стандартной технологии, причем особенно важно, что большинство способов изготовления контактов металл — полупроводник являются низкотемпературными.

Устройство селенового фотоэлемента, изучаемого в настоя­щей работе, представлено на рис. 1. Стальная подложка 1 покрыта слоем 2—3 селена, на который нанесен тонкий полу­прозрачный слой золота 4. Область 3 селена обеднена основ­ными носителями и является запирающим слоем. Стальная подложка и слой золота являются электродами фотоэлемента. Селеновый слой и электроды наносятся путем испарения. Толщина слоя селена 0,1 мм, толщина полупрозрачного золо­того электрода 0,01 мкм. Поверх золотой пленки наносят антиотражающее покрытие из сернистого цинка 5. Это по­крытие вызывает интерференционное гашение лучей, отра­женных от его поверхности и границы с золотом. Селеновые фотоэлементы с запирающим слоем представляют собой при­боры с большим выходным напряжением (до 500 мВ), удов­летворительным КПД (до 1%) и областью максимальной чувствительности в середине видимой части спектра, что делает их наиболее пригодными для цветной и других видов фотометрии. Известно их широкое применение в современных фотоэкспонометрах, что связано с близостью их спектральной характеристики к кривой чувствительности глаза человека.

Барьер типа Шоттки.

Этот потенциальный барьер образуется при контакте металла с полупроводником, в частности, золота с се­леном. Допустим, что между металлом и дырочным полупро­водником создан надежный контакт (рис. 2). На рисунке: Е -энергия “дна” свободной зоны, Е - энергия “потолка” валентной зоны; F , F —уровни Ферми металла и полупроводника, А , А - работы выхода электрона из металла и полупроводника.

Если уровень Ферми изолированного металла F лежит выше уровня Ферми полупроводника F , - т. е. < , то в первый момент их соприкосновения поток электронов из металла превышает поток электронов из полу­проводника.

 

 

 

 

Металл заряжается положительно, а полупровод­ник отрицательно, и возникшее между контактирующими образцами электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из металла в полупроводник. Процесс идет до тех пор, пока уровни Ферми с обеих сторон не совпадут, и не установится динамическое равновесие. Контактная разность потенциалов (), возникающая между металлом и полупроводником, определяется из разности работ выхода

 

(1)

и практически полностью падает в приконтактной области полупроводника. Напряженность электрического поля в приповерхностном слое полупроводника, вызванного контактной разностью потенциалов, искривит его зоны энергии относительно уровня Ферми книзу. Поэтому вблизи контакта число электронов в свободной зоне увеличивается, а число дырок в валентной зоне убывает. Это означает, что в дырочном полупроводнике возникнет запирающий слой (слой с обеднен­ной концентрацией дырок).

Измерительная установка.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4. Фотоэлемент ФЭ находится в левой части горизонтально расположенного корпуса прибора. На торцевой части корпуса размещены две клеммы, к которым подведены выводы от фотоэлемента (к этим же клеммам присоединяется микроамперметр). Фотоэлемент можно вращать вокруг горизонтальной оси (максимальный угол поворота 90°) при помощи рукоятки, рядом с которой укреплена шкала, служащая для измерения угла поворота фотоэлемента. Нулевому положению рукоятки соответствует вертикальное распо­ложение фотоэлемента.

В нижней части откидной крышки корпуса прибора укреплена шкала, предназначенная для измерения расстояний между фотоэлементом и источником света. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента. Внутри корпуса имеются несколько защитных ребер, которые предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей. Черная матовая окраска внутренней части корпуса защищает фотоэлемент от световых бликов. Внутри корпуса прибора на стойке закреплены собирающая линза Л и лам­почка накаливания ЛН. Стойка с линзой и лампочкой может передвигаться вдоль оси корпуса в пределах длины шкалы. На подставке прибора расположен тумблер Т, с помощью которого включается лампочка накаливания. В левую часть корпуса (справа от фотоэлемента) можно вставлять необхо­димые светофильтры Ф, которые фиксируются в вертикаль­ном положении специальным винтом.

 

Порядок выполнения работы

Упражнение 1.

Определение зависимости фототока фотоэлемента от освещенности.

Известно, что освещенность поверхности зависит от угла падения на нее света как е, где - освещенность при нормальном падении лучей. Экспериментально снимают зависимость фототока от освещенности, которую изменяют путем варьирования угла падения лучей.

 

1. Рукоятку фотоэлемента ставят на нуль шкалы угломера.

2. Лампочку с линзой устанавливают на минимальном расстоянии (6 см) от фотоэлемента.

3. Включают лампочку накаливания и записывают начальное показание микроамперметра I .

4. Изменяя угол падения лучей на фотоэлемент, через 10°, записывают значения фототока I . Ввиду невысокой точности угломера зависимость величины фототока от угла падения лучей снимается несколько (3—5) раз. Вычисляется среднее значение фототока для каждого угла и заносится в таблицу 1.

 

Упражнение 2.

Задание на учебно-исследовательскую работу

1. Рассмотреть случай образования запирающего слоя при контакте металла с полупроводником n-типа.

2.Определить толщину запирающего слоя при контакте золота (работа выхода == 4,70 эВ) с селеном (работа выхода

=4,72 эВ) для концентрации акцепторных центров

= 4,72 эВ) для концентрации акцепторных центров

n = 10