Обробка експериментальних результатів

1. Для трьох значень струмів через напівпровідник розрахувати відповідні значення холлівської різниці потенціалів між точками (3, 6) напівпровідника, скориставшись законом Ома:

U_x=І_х(r_m+ r_3.6).

2. Скориставшись співвідношенням (10), обчислити значення сталої Холла. У цьому випадку:

.

3. Середнє значення сталої Холла дає можливість визначити концентрацію носіїв струму в напівпровіднику:

,

де q=l,6×10^-19 Кл.

4. Розрахувати значення питомої електропровідності напівпровідника У цьому випадку:

,

де a, b, d — розміри кремнієвого зразка в м;

r_1,2 — опір зразка між точками 1 і 2.

5. Оцінити величину рухливості носіїв (наш напівпровідник має діркову провідність). Тому

,

де q — елементарний заряд;

n — концентрація носіїв.

Контрольні запитання

1. Електропровідність металів. Надпровідність, магнетні властивості надпровідників.

2. Енергетичні зони в кристалах, розщеплення енергетичних рівнів. Розподіл електронів по енергетичних зонах.

3. Валентна зона, зона провідності в металах, напівпровідниках і діелектриках.

 

Лабораторна робота № 8.3
ВИВЧЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ЯВИЩ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ТА ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ФОТОЕЛЕМЕНТА

Мета роботи: вивчити закони внутрішнього фотоефекту на прикладі одержання вольт-амперної і світлової характеристик напівпровідникового фотоопору та знаходження його питомої чутливості.

Прилади і матеріали: досліджуваний фотоопір, установка для зняття вольт-амперної і світлової характеристик.

Теоретичні відомості

Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник із шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграма якого показана на рис. 8.3.1.

Рис. 8.3.1

Тут Е_v — верхній енергетичний рівень заповненої валентної зони. Е_в —нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності. Е_F — рівень Фермі

Очевидно, що E_g=E_в-E_v. При Т¹0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а у валентній зоні — така ж кількість дірок. Нехай на зразок падає світло частотою v. Енергія його квантів E_g=hv. Якщо E_g<E_g, то кванти світла поглинаються як електронами, так і дірками. Таке поглинання носить назву поглинання вільними носіями. Оскільки ширина забороненої зони велика в порівнянні з тепловою енергією кТ, то концентрація вільних носіїв мала, що обумовлює також малу інтенсивність поглинання. У цьому випадку більш суттєвим є відбиття світла.

Із зростанням частоти стає можливим ще один механізм ослаблення інтенсивності світла, а саме, при енергіях квантів hv>Eg фотон поглинається електроном, який знаходиться у валентній зоні. Це супроводжується переходом електронів у зону провідності і називається внутрішнім фотоефектом. В результаті внутрішнього фотоефекту концентрація вільних носіїв зростає. А оскільки питома електропровідність пропорційна концентрації носіїв, то внутрішній фотоефект викликає зростання електропровідності. Збільшення електропровідності під дією світла носить назву фотопровідності.

У власних напівпровідниках фотопровідність має біполярний характер, тобто поглинання світла приводить до появи електронів в зоні провідності і рівної їм кількості дірок у валентній зоні.

Можлива також монополярна фотопровідність. Розглянемо домішковий напівпровідник, енергетична діаграма якого зображена на рис. 8.2.2, де Е_d – домішковий донорний рівень, розташований у верхній половині забороненої зони. При hv³E_в-E_d поглинання фотона приводить до збудження електрона, зв'язаного з домішкою, та перехід його в зону провідності. Якщо частота задовольняє умову hv³E_d-E_v, то енергії фотонів не вистачає для збудження електронів з валентної зони на домішковий рівень. Таким чином, при E_d-E_v³hv³E_в-E_d генерується певна кількість вільних носіїв одного знаку — електронів, а фотопровідність має монополярний характер. Очевидно, що при hv³E_d-E_v генеруються як електрони провідності, так і дірки, тоді домішкова фотопровідність буде біполярна. Аналогічні міркування можна провести також і для акцепторного напівпровідника.

Поряд з генерацією носіїв квантами світла відбувається і зворотний процес, тобто перехід електронів у валентну зону, що називається рекомбінацією. Розрізняють кілька механізмів рекомбінації. Оскільки рекомбінація визначає суттєві прикмети фотопровідності, слід враховувати дві найважливіші з них:

1. Пряма рекомбінація або рекомбінаційна зона — зона, при якій з'єднання електрона з діркою відбуваються завдяки переходові електрона із зони провідності в пустий стан валентної зони. При цьому надлишок енергії електрон розсіює, здебільшого випромінюючи фотон.

 

Рис. 8.3.2

2. Рекомбінація за участю домішок і дефектів. У цьому випадку вільні електрони рекомбінують із зв'язаними дірками на домішках і дефектах, а вільні дірки — із зв'язаними електронами. У результаті процесів фотогенерації та рекомбінації в зразку при неперервному освітленні встановлюється стабільне значення концентрації нерівноважних носіїв, яке й є фотопровідністю.

У даній роботі вивчаються фотоелектричні явища в напівпровідниках на прикладі фотоопору. Будова фотоопору та принцип дії показані на рис. 8.3.3 де 1 - ізолююча підкладка, 2 - фоточутливий шар напівпровідникового матеріалу (здебільшого PbS, CdS, CaAs), 3 - металеві контакти.

Рис. 8.3.3

При опроміненні шару напівпровідника світлом завдяки внутрішньому фотоефекті опір зразка зменшується, а струм у колі відповідно зростає. Ця властивість фотоопорів обумовлює їх широке застосування в схемах автоматики як приймачів, так і датчиків випромінювання.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Зняття вольт-амперної характеристики, тобто залежності сили фотоструму І_ф від напруги U.

1. Ввімкнути установку в електромережу.

2. Встановити відстань R джерела світла від фотоопору 10...15 см.

3. Змінюючи напругу від нуля до максимального значення, через кожні 10В фіксувати значення фотоструму І_ф.

4. Дослід повторити для R=25...30 см.

5. Всі дані вимірювань занести в таблицю.

Завдання 2. Зняття світлової характеристики, тобто залежності сили фотоструму від величини освітленості фотоопору.

1. Встановити постійну напругу 80 В.

2. Змінюючи відстань R від максимального до мінімального значення, через кожні 5 см фіксувати величину фотоструму І_ф.

3. Дослід повторити для U=150 В.

4. Всі дані вимірювань занести в таблицю.

Завдання 3. Визначення питомої чутливості фотоопору, тобто величини сили фотоструму при одиничних значеннях напруги та світлового потоку Ф.

(1)

Враховуючи, що світловий потік Ф, який падає на поверхню площею S, може бути знайдений через величину освітленості Е цієї поверхні за формулою:

Ф=ES, (2)

а освітленість визначається через силу світла І джерела співвідношенням:

. (3)

З формули (1) одержимо остаточний вираз для розрахунку питомої чутливості фотоопору:

. (4)