Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Внутренний фотоэффект в полупроводниках. Фоторезисторы



Появление неравновесных носителей в полупроводниках под действием электромагнитного излучения носит название внутреннего фотоэффекта, а возникающая при этом проводимость называется фотопроводимостью. Для появления дополнительных свободных носителей заряда необходимо, чтобы энергия электромагнитного кванта была не меньше, чем энергия активации проводимости (ширины запрещенной зоны): в собственных полупроводниках ≥ Δ Е0 (рис. 2.7). В этом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны, могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2.7), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

Из этих условий можно найти красную границу внутреннего фотоэффекта:

.

Рис. 2.7. Возникновение фотопроводимости у полупроводников.

 

У собственных полупроводников красная граница лежит в видимой области. На рис. 2.8. представлена зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны. При λ > λ 0 внутренний фотоэффект не наблюдается. Спад фотопроводимости в коротковолновой части полосы поглощения объясняется большой скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое толщиной x » 1мкм (коэффициент поглощения » 106 м-1).

Наряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место экситонный механизм поглощения. Экситоны представляют собой квазичастицы — электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

 

Рис. 2.8. Зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны.

 

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фоторезисторов – полупроводниковых фотоэлементов, которые изменяют свою электропроводность в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Основу фоторезистора представляет тонкий слой (или пленка) полупроводникового материала на подложке с нанесенными на него электродами, посредством которых фоторезистор подключается к цепи. В зависимости от назначения фоторезисторы могут быть одно- или многоэлементными (мозаичными), с охлаждением или без него, открытые или герметизированные, выполненные в виде отдельного изделия или в составе интегральной схемы. Фоторезисторы из CdS и CdSe чувствительны в очень широком спектральном диапазоне – от γ - излучения до ближней ИК области, из PbS, PbSe, InSb – в инфракрасной области (до 14 мкм), легированные Si и Ge – также в ИК (до 40 мкм). Для фоторезисторов характерны высокая чувствительность, стабильность фотоэлектрических характеристик во времени, простота устройства. Их применяют как детекторы излучений в системах автоматического регулирования, в фототелеграфии, в различных устройствах оптоэлектроники.

 

Методика эксперимента

Электропроводность собственного полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется темновой проводимостью:

γ Т = qen(un+ up), (2.1)

где n – концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне; unи up– подвижность электронов и дырок соответственно; qe – заряд носителя тока.

При освещении полупроводника возникают дополнительные свободные носители заряда, обусловленные внутренним фотоэффектом. При поглощении кванта света один из валентных электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Очевидно, такой переход возможен, если энергия фотона hν равна или несколько больше ширины запрещенной зоны Δ E0:

hν ≥ Δ E0. (2.2)

Из сказанного ясно, что полная электропроводность складывается из темновой и фотопроводимости:

γ =γ ТФ . (2.3)

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

Вольт-амперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения при постоянном световом потоке I = f (U)Ф = Сonst:

, (2.4)

где IC – световой ток; IТ – темновой ток; IФ – фототок; S – площадь поперечного сечения; l – длина проводника.

В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Из уравнения (2.4) видно, что вольт-амперная характеристика как темновая, так и при освещении является линейной, поскольку при постоянной температуре (ток, протекающий через фоторезистор, не должен приводить к разогреву полупроводникового прибора) и постоянном световом потоке электропроводность не зависит от напряжения. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т. е. IС ≈ IФ.

Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения IФ=f(Ф)U=Const. Световая характеристика обычно нелинейная. При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей заряда растет вероятность их рекомбинации.

Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны при постоянной энергии падающего излучения IФ=f(λ )Ф=Const, U=Const. Фототок в собственном полупроводнике появляется, начиная с длины волны λ 0 соответствующей равенству

, (2.5)

где Δ E0 – ширина запрещенной зоны полупроводника; λ 0 – край собственного поглощения (красная граница фотоэффекта); с – скорость света в вакууме.

Зная ширину запрещенной зоны, можно определить полупроводник, из которого сделан фоторезистор (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Полупроводник Ge Si InSb GaAs GaP CdS CdSe PbS
Δ E , эВ 0, 72 1, 12 0, 17 1, 42 2, 26 2, 42 1, 70 0, 41

 

С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что с уменьшением λ растет коэффициент оптического поглощения, а это приводит к поглощению света в тонком приповерхностном слое вещества, к повышению концентрации неравновесных носителей и соответственно повышенной скорости рекомбинации в этом слое.

В качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

На рис. 2.9 представлена электрическая схема. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ИПС1, работающий в диапазоне 0..6, 3В. Такое включение измерительных приборов позволяет исключить шунтирование вольтметром фоторезистора. При этом в рабочем диапазоне токов влияние внутреннего сопротивления амперметра на показания вольтметра незначительное.

При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения J/J0, где J0некоторая константа, задаваемая измерительным прибором, и регулируется пользователем с помощью регулятора.

 

Рис. 2.9. Схема измерительной установки.

 

Лабораторная установка

Экспериментальная установка (рис. 2.10) для изучения внутреннего фотоэффекта состоит из:

- амперметра 1 и вольтметра 2, собранных конструктивно в одном корпусе 3;

- блока питания ИПС1 4, включающего в себя генератор постоянного напряжения 5 и узел 6, управляющий светодиодным кластером, состоящим из 8 светодиодов с различными длинами волн излучения;

- стенда 7 с объектами исследования С3-ОК1, содержащего набор излучателей 8 и исследуемый фоторезистор 9.

Рис. 2.10. Лабораторная установка.

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Соберите схему, показанную на рис.2.9.

2. Включите установку, нажав на кнопки «Сеть» на блоках 3 и 4. Установите максимальное значение интенсивности светового потока. Для этого необходимо вращать ручку 13.

3. Снимите семейство вольт-амперных характеристик I = f(U)J/J0=Const, λ =Const. Для этого нажатием кнопки 10 переключения светодиодов установите длину волны излучения источника света, порядковый номер которого «1». Номер выбранного источника отображается на индикаторе 11. Вращая регулятор 12 напряжениягенератора 5, снимите при этой длине волны вольт-амперную характеристику фоторезистора I(U). Полученные данные занесите в таблицу 2.2.

4. Повторите соответствующие измерения силы тока и напряжения при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.2.

5. Снимите семейство световых характеристик IФ = f (J/J0)U =Const, λ =Const. Для этого сначала установите минимальное значение интенсивности светового потока, вращая ручку 13, а также установите напряжение генератора, равное 6В. Далее, меняя значения интенсивности светового потока вращением ручки 13, снимите соответствующие им значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.3.

6. Повторите соответствующие измерения интенсивности светового потока и силы фототока при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.3.

7. Снимите спектральную характеристику фоторезистора IФ = f(λ )J/J0=Const, U =Const. Для этого установите максимальное значение интенсивности светового потока и напряжение генератора, равное 6В. Изменяя длину волны света, падающего на фотоэлемент, с помощью кнопки 10, снимите соответствующие значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.4.

8. По результатам измерений, проведенных согласно пунктам 3-7, постройте графики вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фоторезистора.

9. Определите по спектральной характеристике край собственного поглощения λ 0. Оцените ширину запрещенной зоны полупроводника Δ Е, из которого сделан фоторезистор, по формуле (2.5). Запишите полученное значение в электрон-вольтах. Определите, пользуясь таблицей 2.1, полупроводник, из которого сделан фоторезистор.

 

Таблица 2.2

№ п/п
l0 U, В                            
I, мкА                            
l2 U, В                            
I, мкА                            
l6 U, В                            
I, мкА                            

 

 

Таблица 2.3

№ п/п
l2 J/J0                            
IФ, мкА                            
l4 J/J0                            
IФ, мкА                            
l6 J/J0                            
IФ, мкА                            

Таблица 2.4

l, нм                
IФ, мкА                

Контрольные вопросы

1. Что такое внутренний фотоэффект?

2. Почему образуются зоны в кристалле?

3. Объясните механизм электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории.

4. Что такое собственные полупроводники?

5. Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников и какие типы этой проводимости вы знаете?

6. Что такое фотопроводимость? Расскажите о механизме фотопроводимости в собственных полупроводниках.

7. Чем обусловлено поглощение света в собственном полупроводнике?

8. Что такое фоторезисторы?

9. Перечислите основные характеристики фоторезистора.

 

 

Лабораторная работа №3

 


Поделиться:



Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 2459; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.025 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь