Лабораторне заняття № 5. Вивчення фотопровідності речовини

Мета роботи: Вивчити залежність електропровідності напівпровідника від освітленості.

Теоретичні відомості

Фотопровідність — це зміна електропровідності речовини під дією електромагнітного випромінювання. Це явище, яке спостерігається в діелектриках і напівпровідниках і виникає в наслідок зміни концентрації вільних носіїв електричного заряду при перерозподілі електронів за енергетичними станами завдяки поглинанню енергії електромагнітних хвиль.

Електрони в атомах, як відомо, можуть займати лише певні енергетичні рівні. В кристалі ці рівні об'єднуються в енергетичні зони.

Електропровідність кристала зумовлена переходами електронів із заповненої зони (вона називається валентною зоною) до вільної зони (зона провідності) (рис. 1).

Рис. 1. Зонна схема напівпровідника та електронний перехід при власній фотопровідності.

Домішки в напівпровіднику створюють додаткові рівні - донорні або акцепторні - в залежності від типу домішки.

На донорних рівнях розташовуються додаткові електрони, що постачаються атомами домішки і можуть переходити до зони провідності.

Акцепторні рівні можуть приймати електрони з валентної зони, в якій після зникнення електронів з’являються так звані «дірки» .

Найчастіше фотопровідність виникає внаслідок збільшення концентрації носіїв заряду — електронів у зоні провідності і дірок у валентній зоні.

Звільнення носіїв під дією світла називається внутрішнім фотоефектом.

Якщо енергія світлового кванта.

W= hн,.

де h — стала Планка, — частота, перевищує ширину забороненої зони (рис. 1), то при поглинанні цього кванта енергії електрон збільшує свою енергію та переходить з валентної зони до зони провідності (рис. 1).

При цьому з’являється додаткова пара носіїв струму — електрон і дірка. Так виникає власна фотопровідність.

Домішкова фотопровідність з’являється якщо під дією світла у валентній зоні з’являються вільні дірки, коли електрони з валентної зони переходять на рівні домішки, або тоді, коли електрони переходять з домішкових рівнів — до зони провідності (рис. 2) і стають у ній вільними носіями зарядів.

При збільшенні концентрації вільних носіїв зростає також кількість актів рекомбінації. Внаслідок кожного акту рекомбінації електрон об'єднується з діркою і концентрація вільних носіїв зменшується.

Рис. 2. Зона схеми напівпровідника та електронний перехід при домішковій фотопровідності.

При кожному значенні освітленості напівпровідника в ньому встановлюється стаціонарний стан, при якому швидкості генерації та рекомбінації електронно-діркових пар однакові. Опір контактного прошарку визначається природою матеріалів, що дотикаються, і залежить від стану контактів, температури, напруженості електричного поля, світлового потоку та інших чинників.

Напівпровідникові резистори, величина електричного опору яких залежить від освітленості, називають фоторезисторами (ФР). Фоторезистор характеризується величиною чутливості, яка визначається співвідношенням.

(1).

де — величина фотоструму, — світловий потік, U— напруга на ФР.

Чутливість вимірюється мкА/лмВ. Світловий потік Ф від точкового джерела світла визначається виразом.

де J— сила світла, r— відстань від джерела світла до ФР, — освітлювана площа.

Для чутливості з (1) та (2) можна одержати вираз.

(3).

Варто зазначити, що чутливість залежить від довжини хвилі світла. В нашій роботі розраховується так звана інтегральна чутливість, тобто чутливість до всього світлового потоку від стандартного джерела світла.

Контрольні запитання

• 1. Як пояснюється електропровідність напівпровідників з точки зору зонної теорії?
• 2. Пояснити механізм власної та домішкової електропровідності напівпровідників?
• 3. Від чого залежить електропровідність напівпровідників?
• 4. Що таке фоторезистор (ФР)?
• 5. Пояснити, як і чому залежить величина електричного опору ФР від світлового потоку.
• 6. Що таке чутливість ФР і від чого вона залежить? В яких одиницях вона вимірюється?
• 7. Який вигляд має світова характеристика?
• 8. Як залежить величина світлового потоку від відстані між точковим джерелом світла і освітлюваною поверхнею фоторезистора?
• 9. Як вираховується величина електричного опору ФР в даній лабораторній роботі?
• 10. Який графік необхідно побудувати за результатами вимірювання в нашій лабораторній роботі?

Домашнє завдання

Для виконання роботи необхідно вивчити наступні питання: внутрішній фотоефект; залежність величини фотоопору від світлового потоку, що падає на фоторезистор; напівпровідникові матеріали; фотоелектронні переходи в напівпровідниках.

Лабораторне завдання

Для вивчення залежності величини опору ФР від світлового потоку використовується вимірювальна схема (рис. 3). Робочим тілом фоторезистора є світлочутливий сірчаний кадмій CdS.

Внаслідок зміщення джерела світла Л вздовж оптичної лави змінюється величина опору ФР і струм в його колі. Залежність електричного опору ФР від світлового потоку називається світловою характеристикою.

Вимірюючи при різних світлових потоках струм через ФР та подану з потенціометра на цю ділянку кола напругу, можна вирахувати за законом Ома величиною опору ФР при різних світлових потоках.

Послідовність виконання роботи

1. Скласти схему, вказану на рис. 3.

Рис. 3.

• 2. Замкнувши ключ К, подати в коло ФР напругу, вимірювану вольтметром.
• 3. Пересуваючи джерело світла Л вздовж оптичної лави, виміряти лінійкою відстань r між джерелом і ФР та виміряти силу струму І мікроамперметром в цьому колі при кожній відстані r та незмінній напрузі U.
• 4. Результати вимірювань занести до таблиці 1:

• 5. Використовуючи закон Ома для ділянки кола, вирахувати для кожного випадку величину фото опору R та величину, від якої прямопропорційно залежить світловий потік згідно з формулою (2).
• 6. Результати розрахунків занести до таблиці 2:

• 7. За даними таблиці 2. побудувати графік залежності за ним зробити висновок про залежність величини опору ФР від світлового потоку.
• 8. Вираховувати за формулою (3) чутливість ФР для двох граничних значень світлового потоку і зробити висновок про те, чи залежить чутливість від світлового потоку.

Прилади та обладнання Джерело світла, ключ, джерело напруги, фоторезистор, потенціометр, вольтметр, мікроамперметр.