ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЗАПИРАЮЩЕМ СЛОЕ

РАБОТА №45

 

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В 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. 4а. 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.

 

 

 

Фотографии всего стенда, прибора с горизонтальным корпусом и выдаваемых лаборантом принадлежностей для выполнения работы приведены на следующих рисунках.

Порядок установки принадлежностей описан в каждом упражнении.

Данные о фильтрах приведены в таблице 2.

 

На рисунке 4б приведена фотография установки:

 

 

Рис. 4б. Фотография стенда

 

1 – стенд, на котором смонтированы измерительные приборы, тумблеры включения лампочки и клеммы для соединительных проводов;

2 – блок питания;

3 – горизонтальный корпус прибора, в который надо вставить лампу накаливния, фильтры и линзу.

 

 

На рисунке 5 приведен прибор (горизонтальный корпус) 3.

 

 

Рис. 5. Фотография прибора с горизонтальным корпусом

 

1 – место для вставки лампы накаливания;

2 – место для установки линзы;

3 – место для укрепления фильтров (каждый фильтр, вставляемые попеременно, укрепляется в специальной оправе, см. рис.6).

 

 

 

Рис. 6. Принадлежности

 

1 – линза;

2 – лампа накаливания;

3 – фильтры;

4 – держатели для фильтров.

Порядок выполнения работы

Задание на учебно-исследовательскую работу

Снять зависимость фототока  от расстояния точечного источника от фотоэлемента , для чего линзу следует убрать. Поскольку  ~  (объяснить почему), то построив зависимость  от , по наклону прямой можно определить . Сравнить полученное значение  с результатом упражнения 1. Расстояние изменять от 0,06 м до 0,14 м.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое барьер типа Шоттки?

2. При каких условиях возникает барьер типа Шоттки при контакте металла с полупроводником n-типа? р-типа?

3. Дайте определение квантового выхода.

4. Какие физические процессы определяют скорость гене­рации неравновесных носителей?

5. Что такое показатель поглощения света?

6. Какие переходы определяют собственное поглощение полупроводника?

7. Какими переходами электронов в полупроводниках определяется частотная характеристика показателя поглощения в области коротковолнового края спектральной характеристики?

8. Что такое интенсивность света?

9. Объясните почему при постоянной интенсивности света число фотонов, падающих на единицу площади фотоэлемента в единицу времени прямо пропорционально длине световой волны.

10. Что такое освещенность поверхности и как она зависит от угла падения параллельного пучка света?

11. Как зависит освещенность поверхности от угла паде­ния центрального луча и от расстояния от точечного источника?

12. При каком условии можно считать, что неравновесные носители образуются одновременно во всей области контактного поля барьера Шоттки?

13. Что такое спектральная чувствительность фотоэлемента?

14. Почему происходит уменьшение спектральной чувствительности фотоэлемента в области длинных волн? в области коротких волн?

 

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики/М.:Высшая школа, 2003. – С.616-623.

2. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнёв В.А., Серов Е.А. Физика твёрдого тела/М.:Высшая школа, 2001. – С.102-104, 157-164, 187-190.

3. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники/ М.:Советское радио, 1980. – С.176.

 

 

Первый вариант данной работы (1981 год) был подготовлен В.Г. Хавруняком и Л.Н. Борицкой.

РАБОТА №45

 

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В 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).

12345Следующая ⇒

Поделиться: