реферат. Лабораторная работа 330 изучение собственной фотопроводимости полупроводников

• Название: Лабораторная работа 330 изучение собственной фотопроводимости полупроводников
• Анкор: реферат
• Дата: 07.09.2022
• Размер: 126.5 Kb.
• Имя файла: Lab330.doc
• Тип: Лабораторная работа; #666438

Лабораторная работа № 330

ИЗУЧЕНИЕ СОБСТВЕННОЙ ФОТОПРОВОДИМОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

I. Цель и содержание работы
Целью работы является изучение явления фотопроводимости полупроводников.

Содержание работы – определение ширины запрещенной зоны полупроводника из измерений спектральных характеристик фотопроводимости.
II. Краткая теория работы
Все конденсированные (т.е. твердые и жидкие) вещества, существующие в природе, могут быть на основе эксперимента, разделены на 2 класса:

1. 
   – вещества, обладающие при нормальных условиях, – т.е. комнатная температура, темнота, нормальное давление и т.д. – высоким электрическим сопротивлением, т.е. плохо проводящие электрический ток (изоляторы).
   
2. 
   – вещества, обладающие при нормальных условиях низким электрическим сопротивлением, т.е. хорошо проводящие электрический ток (проводники).
   

При этом, как показывает опыт, сопротивление изоляторов очень сильно зависит от внешних условий – температуры, давления, электромагнитных полей и т.д. – в то время как сопротивление проводников остается практически постоянным при всех условиях.

Как известно, электрический ток – это направленное движения заряженных частиц в веществе под действием приложенного (внешнего) электрического поля. Этими заряженными частицами могут быть либо электроны, либо ионы вещества. Мы будем рассматривать лишь электронный ток, т.е. ток, переносимый электронами. Большинство твердых тел в природе обладают электронной проводимостью.

Поведение электронов в твердых телах описывается зонной теорией твердого тела, основанной на квантовой механике.

Как известно из квантовой механики, электроны в атоме могут обладать лишь строго определенными значениями энергии, т.е. находиться лишь на определенных энергетических уровнях. Мы будем рассматривать только электроны внешних оболочек атомов, т.к. они обладают минимальной «энергией активации», т.е. для их отрыва от ядра атома требуется минимальная энергия, и поэтому только они могут переносить ток (т.е. перемещаться) в твердом теле. Самый низкий возможный энергетический уровень такого электрона соответствует основному состоянию, т.е. состоянию, когда электрон находится в поле сил притяжения к ядру атома. Под действием температуры, освещения или других внешних воздействий электрон может получить энергию, достаточную для отрыва от ядра, т.е. для перехода на более высокий разрешенный уровень энергии – перейти в «возбужденное состояние», когда уже он практически не связан с данным атомом, т.е. является «свободным».

Поскольку атомы в твердом теле (в отличие от газов) находятся очень близко друг к другу, внешние электроны соседних атомов, взаимодействуя друг с другом, несколько изменяют свою энергию, причем каждый электрон имеет свою энергию, или свой уровень, мало отличающийся от основного состояния. Таким образом, вблизи энергии основного состояния внешнего электрона в данном веществе образуется область энергии (зона), т.н. валентная зона, в которой имеется много уровней, на которых могут находиться электроны в основном состоянии. На каждом уровне, согласно принципу Паули, может находиться 2 электрона.

Аналогичная энергетическая зона, соответствующая возбужденным состояниям электронов в данном веществе, называется зоной проводимости.

Между валентной зоной и зоной проводимости находится область энергии, которой электроны данного твердого тела не могут обладать по законам квантовой механики. Эта область называется запрещенной зоной. Ясно, что ширина запрещенной зоны – это есть примерно та энергия, которая необходима электрону, чтобы стать «свободным», т.е. оторваться от «своего» атома.

Очевидно, что при абсолютном нуле температуры (0 K) все электроны вещества находятся в основном состоянии, т.е. в валентной зоне, и она полностью занята (нет свободных уровней). Зона же проводимости при этом абсолютно свободна, т.е. в ней нет электронов.

Очевидно, что ток может переноситься только электронами, находящимися в зоне проводимости, т.е. свободными электронами, т.к. в зоне проводимости есть незанятые уровни, на которые может переходить электрон при переносе тока. В полностью же занятой валентной зоне свободных уровней нет.

Таким образом, для того, чтобы в веществе протекал ток, необходимо сообщить электрону энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости, т.е. энергию, равную (или больше) ширине запрещенной зоны. Эта энергия может быть сообщена за счет нагрева, освещения, сильного поля и т.д.

С точки зрения зонной теории, различие между проводниками и изоляторами состоит в том (рис. 1), что в проводниках запрещенной зоны или нет совсем, т.е. валентная зона и зоны проводимости перекрываются, или она настолько узка, что при обычных температурах тепловой энергии электронов ( , где – постоянная Больцмана, – абсолютная температура) оказывается достаточной, чтобы почти все электроны оказались в зоне проводимости, т.е. были свободными.

Проводниками является большинство металлов, сплавов и т.д. В изоляторах же, наоборот, ширина запрещенной зоны настолько велика, что при нормальных условиях валентная зона полностью занята, а зона проводимости полностью свободна. (Ясно, что при достаточно высокой температуре появятся электроны, у которых энергии окажется достаточно для перехода в зону проводимости, однако эта температура обычно превышает температуру плавления данного материала.) Изоляторами являются дерево, стекло, слюда, тефлон и т.д.

Полупроводниками принято называть изоляторы, у которых ширина запрещенной зоны составляет  (0,2 2,5) эВ (для сравнения средняя тепловая энергия электронов при 300 K составляет = 0,025 эВ). Полупроводниками являются Ge, Si, GaAs, CdS и другие материалы.

При нормальных условиях большинство полупроводников плохо проводит электрический ток, однако небольшое изменение внешних условий (нагрев, освещение и т.д.) изменяют проводимость материала во много раз. Этим и обусловлено широкое применение полупроводников в электронике в качестве датчиков температуры, детекторов излучения и др. Концентрация (т.е. количество в единице объема) свободных электронов (электронов в зоне проводимости) при данной температуре (T) определяется формулой:

, (1)

где – концентрация электронов в веществе, – ширина запрещенной зоны.

Из этой формулы очевидно, что если  0 (проводники), то , т.е. проводимость не зависит от температуры и велика. Если же велика ( ), то , т.е. проводимости практически нет (изоляторы).

Рассмотрим зонную схему полупроводника, более детально изображенную на рис. 2. Первоначально все электроны находятся в валентной зоне, где все уровни заняты (теоретически это возможно лишь при 0 K). Если какое-то количество электронов ( ) получают извне энергию, достаточную для перехода в зону проводимости (т.е. энергию, большую ), то в валентной зоне, откуда «ушли» электроны, образовалось свободных мест (уровней), на которые могут перейти электроны с соседних уровней в этой же зоне. Таким образом, становится возможным движение электронов и по валентной зоне. Поскольку «пустое место», откуда ушел электрон, заряжено положительно, то можно говорить, что по валентной зоне движется это «свободное место» или положительный заряд, который называется дыркой и обозначается буквой . Ясно, что величина заряда дырки равна величине заряда электрона, а знак заряда – противоположный. Таким образом, ток через образец будет переноситься электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне.

Ток через полупроводник выражается формулой

, (2)

где – константа, обусловленная размерами образца, – проводимость образца (величина, обратная сопротивлению),  – заряд электрона,  – концентрация электронов в зоне проводимости и
дырок в валентной зоне, , – подвижности электронов и дырок в материале, соответственно.

(Подвижность – это скорость движения носителя в единичном электрическом поле.)

Создать свободные носители в полупроводнике (т.е. перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости можно, например, нагреванием или сильным электрическим полем, или освещением).

В данной работе исследуется явление фотопроводимости, т.е. увеличения проводимости полупроводников под действием света.

Если энергия кванта света (фотона) , поглощенного электроном полупроводника, будет достаточна для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, то при освещении будет наблюдаться увеличение тока через полупроводник, т.е. фотопроводимость. Очевидно, что условием возникновения фотопроводимости является

.

Таким образом, определив ту частоту ( ) или длину волны падающего света, при которой начинает наблюдаться фотопроводимость, мы можем определить ширину запрещенной зоны полупроводника . Отметим, что в данном случае мы наблюдаем собственную фотопроводимость, т.е. обусловленную переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием света. Кроме собственной, в полупроводниках может наблюдаться и примесная фотопроводимость, когда под действием света электроны переходят в зону проводимости с примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Явление фотопроводимости в полупроводниках широко применяется для создания фотоэлектронных приборов – фоторезисторов, фотодетекторов и др.

В данной работе исследуется фотопроводимость в полупроводниковом фоторезисторе (фотосопротивлении), изготовленном из полупроводникового материала CdSe. Фоторезистором называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света. Такие фотосопротивления используются, например, в турникетах метро. Кроме того, фотосопротивления широко применяются в автоматике, фотометрии, оптической спектроскопии и т.д.

Устройство фотосопротивления показано на рис. 3. Основным элементом прибора является тонкий слой полупроводникового материала 2, помещенного на изолирующую подложку 1. На края полупроводникового слоя напылены металлические контакты 3. Поверхностность 2 освещается монохроматическим светом. Схема включения фотосопротивления показана на рис. 4. Если прибор не освещен, то ток, измеряемый миллиамперметром (темновой ток)

(4)

При освещении количество свободных носителей увеличивается и через прибор протекает световой ток

(5)

где – дополнительное количество свободных носителей, созданных светом.

Таким образом, фототок

. (6)

Спектральной зависимостью фотопроводимости называется зависимость фототока от длины волны падающего излучения. Как было сказано выше, из этой зависимости может быть определена ширина запрещенной зоны полупроводника.
III. Описание экспериментальной установки
Работа выполняется на установке ЛКК-1, состоящей из оптического блока, обеспечивающего получение монохроматического света для освещения фотосопротивления, и электроизмерительного блока, состоящего из блока питания лампы, источника напряжения для фотосопротивления и измерителя тока через фотосопротивление.

Схема оптического блока приведена на рис.

Излучение от источника света 1, направленное зеркалом 2, фокусируется на входной щели 4 монохроматора Б собирающей линзой 3.

Внутри монохроматора Б луч света зеркалом 5 направляется на сферическую дифракционную решетку 6 и при отражении от нее разлагается в спектр. Расходящийся от решетки веер спектральных
линий может поворачиваться вместе с дифракционной решеткой при вращении ручки 6а. При этом в выходную щель монохроматора попадает тот или иной участок спектра, а соответствующая длина волны отсчитывается по шкале 6бмонохроматора в нанометрах.

Полученное монохроматическое излучение может напрямую поступать через задний выход 7а на фотоприемник (при вытянутом до упора штоке 8).

Для визуального наблюдения спектра излучение выводят в боковую щель 7б монохроматора с помощью зеркала 8 (для этого шток 8вдвигают до упора, зеркало тогда занимает положение, изображенное на рисунке пунктиром).

Выйдя из щели монохроматора, луч света отражается зеркалом 9, проходит объектив 10 и попадает в зрительную трубу В.

Для получения хорошего изображения в окуляре 13 трубы визирный крест 12 должен попасть в фокальную плоскость объектива 11. При этом выдвижной конец зрительной трубы (до оправы) выступает из внешнего цилиндра на 2–3см (см. рисунок).

В качестве источника света в работе используется лампа накаливания.

Ток через фотосопротивление измеряется по падению напряжения на нагрузочном сопротивлении. Напряжение на фотосопротивлении измеряется вольтметром М838. Источник постоянного напряжения для фотосопротивления смонтирован внутри установки, его выход выведен на переднюю панель установки.
IV. Порядок выполнения работы

1. 
   Включить установку тумблером «Сеть вкл.»
   
2. 
   Включить тумблером на передней панели лампу накаливания. Установить нужный ток через лампу ( 1,5 А). Для этого соединить гнезда с правым мультиметром и ручкой «Рег. тока» установить .
   
3. 
   Настроить оптическую систему. Для этого, поворачивая стойку 2а с зеркалом (рис. 5) направить луч света на входную щель 4 монохроматора. На шкале монохроматора 6б установить длину волны 600 нм. Конец зрительной трубы выдвинуть на 2 – 3см. Наблюдая оранжевое свечение, подстроить зеркало 2 на максимальную яркость. Поворотом окуляра 13 добиться резкого изображения визирного креста. Наблюдать изменение цвета излучения при повороте дифракционной решетки ручкой 6а. Поставить на вход монохроматора цель 1,0 мм, а на выход – 3 мм (щели взять у лаборанта).
   
4. 
   Установить на заднем выходе монохроматора фотосопротивление и подключить его к измерительной схеме, вставив кабель в гнездо «ФП» на панели.
   
5. 
   Подключить правый вольтметр к гнезду « », а левый – к гнезду , таким образом, на правом вольтметре мы будем измерять напряжение, подаваемое на фотосопротивление, а на левом – ток через него. Установить ручками (верхнее – грубо, нижнее – плавно) напряжение на фотосопротивлении .
   
6. 
   Выключить лампу и измерить темновой ток ( ) через фотосопротивление. Для этого напряжение, которое показывает левый вольтметр, , надо умножить на коэффициент , определенный положением переключателя «мкА/B» на панели установки.
   
7. 
   Снять спектральную характеристику фотосопротивления в диапазоне 400 810 нм, данные занести в таблицу. Измерения провести 2 раза. .
   

Таблица

	, нм	350	400	450	500	550	600	650	680	700	720	740	760	780	800	810	820
1-е измерение	Uвых, мВ
	Iсв, мкА
2-е измерение	Uвых, мВ
	Iсв, мкА

8. 
   Построить график спектральной зависимости фотопроводимости и определить по нему ширину запрещенной зоны полупроводника (в эВ) (ширина запрещенной зоны соответствует максимуму спектральной зависимости).
   

Контрольные вопросы

1. 
   В чем отличие между проводниками и изоляторами с точки зрения зонной теории? Какие вещества относятся к классу полупроводников?
   
2. 
   Определите концентрацию свободных носителей заряда в чистом германии при комнатной (27С) температуре ( , ). Какой ток будет протекать через образец Ge, если к нему присоединить батарею ? ( ).
   
3. 
   Что такое фотопроводимость полупроводников? Объяснить механизм возникновения фотопроводимости с точки зрения зонной теории.
   
4. 
   Чем обусловлено широкое применение полупроводников в промышленности? Какие вы знаете полупроводниковые приборы?
   
5. 
   Объясните устройство монохроматора.
   
6. 
   Объясните принцип работы фоторезистора. Где могут применяться фоторезисторы?
   
7. 
   Как определить ширину запрещенной зоны полупроводника из измерений температурных зависимостей темнового тока?
   
8. 
   Почему полупроводники наиболее широко используются в промышленности?
   

Литература
Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3, М.: «Наука», 1977.