Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

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 Еd – домішковий донорний рівень, розташований у верхній половині забороненої зони. При hvEв-Ed поглинання фотона приводить до збудження електрона, зв'язаного з домішкою, та перехід його в зону провідності. Якщо частота задовольняє умову hvEd-Ev, то енергії фотонів не вистачає для збудження електронів з валентної зони на домішковий рівень. Таким чином, при Ed-EvhvEв-Ed генерується певна кількість вільних носіїв одного знаку – електронів, а фотопровідність має монополярний характер. Очевидно, що при hvEd-Ev 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.

 

 

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.

 

 

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.

 

 

Завдання 1. Зняття вольт-амперної характеристики, тобто залежності сили фотоструму Іф 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 Іф.

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 Іф.

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.

 Обробка результатів експерименту та їх аналіз

1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність Іф =f (U) для різних R на одному графіку. Незалежну змінну U відкладати вздовж горизонтальної осі.

2. За формулою (3) обчислити освітленість відповідно для всіх значень R таблиці завдання 2, взявши силу світла лампочки І рівною 1, 8 кандели.

3. За даними таблиці завдання 2 побудувати залежність Іф =f (E). Незалежну змінну Е відкладати вздовж горизонтальної осі.

4. За формулою (4) для певного значення R розрахувати не менше трьох разів К0 при різних U і відповідних для них Іф. Знайти абсолютну та відносну похибки.

5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.

  

 

Явища зовнішнього та внутрішнього фотоефекту.

Пояснити фотоелектричні явища в напівпровідниках з точки зору зонної теорії.

Назвати і обгрунтувати позитивні та негативні сторони фотоопорів. Навести приклади їх застосування.

 

 

Мета роботи: вивчити фізичні властивості напівпровідникового діода шляхом зняття вольт-амперної характеристики