Измерение и обработка результатов

3.1. Соберите схему, приведенную на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная схема для исследования характеристик фотоэлемента. К – фотокатод, А – анод фотоэлемента.

3.2. Исследуйте зависимость тока в цепи фотоэлемента от анодного напряжения (получите данные для вольтамперной характеристики).

При некотором фиксированном расстоянии между фотоэлементом и ис­точником света и неизменной силе тока в цепи лампы накаливания измерьте величину фототока. Постепенно повышайте анодное напряжение от 0 до 240 В с шагом 15-20 В. Анодное напряжение и силу фототока занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

ЦГ-4	UА
	I
СЦВ-4	UА
	I

Постройте графики I=I(U) для фотоэлементов обоих типов. Сделайте вывод, какой из предложенных фотоэлементов вакуумный, а какой – газонаполненный.

3.3. Исследование зависимости фототока вакуумного фотоэлемента от освещенности Е катода.

Подайте на фотоэлемент анодное напряжение, соответствующее фототоку насыщения. 

Не изменяя силу тока в цепи лампы накаливания, измерьте ве­личину фототока при 5-7 положениях фотоэлемента на оптической скамье. Результаты измерения фототока при различных расстояниях фо­тоэлемент – источник света занесите в таблицу 2. С помощью люксметра определите освещенность, создаваемую источником света в положениях, которые занимал фотоэлемент при измерении фототока. Результаты за­несите в таблицу 2.

Таблица 2.

r
I
Е

Постройте графики зависимостей I=I(r) и I=I(Е).

3.4. Рассчитайте чувствительность фотоэлемента и квантовый выход.

Световой поток Ф, падающий на фотоэлемент, можно оценить, зная освещенность Е катода и его площадь S:

Ф=ЕS                                                                       (3)

Освещенность катода определяют при помощи люксметра.

Ознакомьтесь с инструкцией по эксплуатации люксметра.

Площадь катода фотоэлемента оценить по результатам измерения диаметра колбы фотоэлемента. Используя соотношение (1), определите чувствительность ва­куумного фотоэлемента в режиме насыщения.

3.5. Пользуясь формулой (2) и результатами пункта 3.3, оце­ните величину квантового выхода для вакуумного фотоэлемента. Оценку величины квантового выхода вакуумного фотоэлемента провести для энергии кванта в средней части видимого света, т. е. на длине волны светового излучения  λ = 550 нм.

Вопросы и упражнения

1. Что такое внешний фотоэффект?

2. Назовите закономерности внешнего фотоэффекта.

3. Какие закономерности фотоэффекта не удается объяснить с помощью волновой теории света?

4. Что такое работа выхода? Каковы физические причины, вызывающие  ее?

5. Что такое красная граница фотоэффекта?

6. Приведите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

7. Поясните механизм внешнего фотоэффекта и физический смысл уравнения Эйнштейна.

8. Объясните принцип действия фотоэлемента.

9. Объясните различия в ходе вольтамперных характеристик вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

10. Почему в фотоэлементах, работающих в области видимого света, светочувствительный слой делают из щелочных металлов?

Лабораторная работа № 6

Измерение времени жизни  неравновесных

Носителей тока в полупроводнике

Цель работы:

экспериментальное определение времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках.

Литература:

1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.3, §65. – М.: Наука, 1982

2. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. т.2, – М.: Наука, 1969

3. Физический энциклопедический словарь. – М.: Сов. Энцикл., 1983. Статьи: фотоэлектрические явления, фотопроводимость.

Приборы и принадлежности:

Выпрямитель ВУП-2, звуковой генератор (ЗГШ), ограничительный резистор R33, осциллограф, панель с неоновой лампой ТН-0,2, фоторезистором ФСК-1 и полупроводниковым диодом.

Введение

Носители тока (электроны и дырки), концентрация которых соответствует тепловому состоянию полупроводника, называются равновесными. При возбуждении полупроводника светом (ионизирующим излучением и т. п.) за счет явления внутреннего фотоэффекта концентрация носителей тока увеличивается т. к. образуются дополнительные – избыточные, по сравнению с равновесной концентрацией, носители тока. Такие носители называют неравновесными носителями.

Неравновесные носители повышают электропроводность полупроводника. Дополнительная – неравновесная проводимость, возникающая в полупроводнике при его освещении, называется фотопроводимостью. При отсутствии процессов рекомбинации концентрация неравновесных носителей – электронов n и дырок – p возрастает пропорционально времени:

dn= kdI_cdt, dp=kdI_cdt,                                                         (1)

здесь: I_c – сила света, k – коэффициент, характеризующий эффективность поглощения света, d – квантовый выход фотоэффекта, dt – время от начала освещения.

Необходимо отметить, что в полупроводнике наряду с процессами рождения неравновесных носителей имеет место обратный процесс – их рекомбинация. Благодаря конкуренции процессов рождения и рекомбинации носителей тока через некоторое время после включения света устанавливается стационарное значение их концентраций.

Процессы изменения концентрации неравновесных носителей, ведущие к установлению стационарного состояния, в общем случае, называются процессами релаксации. Процессы релаксации, связанные с рекомбинацией электронов и дырок, относительно продолжительны, что объясняет, например, заметную инерционность фоторезисторов. Инерционность фоторезисторов можно связать со временем жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике.

Средним временем жизни неравновесного носителя <t> называют время, которое проходит от рождения пары электрон-дырка до их взаимной рекомбинации.

Изучение процессов релаксации электропроводности позволяет определить время жизни неравновесных носителей, которое зависит от скорости рекомбинации носителей.

Скорость рекомбинации  носителей тока, т. е. скорость уменьшения их концентрации – dn/dt пропорциональна их концентрации. Изменение концентрации неравновесных носителей в полупроводнике с течением времени при его возбуждении – освещении и при учете рекомбинации определяется уравнением:

,                                                             (2)

где t – некоторая постоянная.

Несложно показать, что решением уравнения (2) является функция:

n = n ₀ (1-exp(-t/t))                                                            (3)

где: n₀-стационарное значение концентрации (при t® )

Если полупроводник затемнить, или прекратить его освещение, то рождение неравновесных носителей прекратится, а уменьшение концентрации носителей за счет их рекомбинации будет происходить по закону:

                                                                    (4)

       Закон Ома в дифференциальной форме

,                                                                 (5)

и классическое выражение для электропроводности

указывают, что плотность фототока j,  а, значит и сила фототока, пропорциональны концентрации свободных носителей заряда.

Из соотношения (3) следует закон релаксации фототока I при освещении фоторезистора:

I=I₀(1-exp(-t/t))                                                              (6)

Уравнение (4) приводит к закону релаксации фототока при затемнении:

I=I₀exp(-t/t)                                                                   (7)

Схематически ветви кривых релаксации (6) и (7) показаны на рис. 1.

При исследовании величин, описываемых экспоненциальным законом, характеристическим параметром часто служит интервал, в течении которого исследуемая величина изменяется ве@2,7 раз, т. е. приблизительно в три раза. В нашем случае таким параметром является время. С учетом сказанного, время жизни неравновесных носителей можно определить как время, в течение которого величина фототока уменьшается примерно в 3 раза.