МУ-Ф-3 (1003892), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Фактическая зависимость фототока от освещенности Р можетотличаться от линейной.Нестационарная фотопроводимостьИтак, если свет падает достаточно долго, то в полупроводнике возникает стационарнаяфотопроводимость, определяемая формулой (9). Рассмотрим кратко переходные процессы привключении и выключении света. Соответствующие зависимости можно получить, решая (4).Если в момент t = 0 включается свет, то концентрация избыточных носителей и пропорциональная ей фотопроводимость увеличиваются во времени по закону:(11)∆σ =∆σСТ (1 – exp( - t/τ)).Зависимость (11) показана на рис. 8 слева; через время, равное нескольким τ, фотопроводимость практически достигает стационарного значения. Если после длительного освещениясвет выключается (в момент t = 0 для простоты формулы), то проводимость спадает по закону:∆σ =∆σСТexp(- t/τ) (см.
правую часть рис. 8).∆σ∆σСТсветвыключенсветвключенττt0t0Рис. 82. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.Содержание работыДля изучения собственной фотопроводимости мы используем фоторезисторы, изготовленные из сернистого кадмия CdS.Фоторезисторами (ФР) называют приборы, позволяющиерегистрировать оптическое излучение с помощью явления фотопроводимости. Чувствительныйэлемент ФР представляет собой пластину или пленку монокристаллического или поликристаллического полупроводника с омическими (невыпрямляющими) контактами. В зависимости отструктуры энергетических зон контакт металла с полупроводником может иметь или не иметьвыпрямляющих свойств. Помимо CdS в ФР используются и другие материалы.9Подключив ФР к источнику напряжения U, можно измерить ток J = JФ +JТ , где JФ - фототок; JТ - темновой ток.
Соотношение между JФ и JТ зависит от освещенности, материала иразмеров ФР. В данной работе, как можно убедиться на опыте, JФ >> JТ, поэтому JФ ~ J.Ток ФР зависит от напряжения U,энергетической освещенности P и длины волны λ. Дляизучения закономерностей фотопроводимости исследуются зависимости фототока от:I) напряжения U при постоянных Р и λ, т.е.
вольтамперная характеристика (ВАХ) фоторезистора;2) освещенности при постоянных U и λ - световая характеристика;3) длины волны при постоянных U и Р - спектральная характеристика. Из спектральной характеристики находятся значение красной границы λКР и ширина запрещенной зоны Eg.Изучение спектральной характеристикиМетодику измерений поясняет рис. 9.
Свет лампы накаливания 1 разлагается призмой 2в сплошной спектр. Узкая щель 3 выделяет небольшую часть спектра с длиной волны λ. ПовоА4ФД231ФРVАРис. 9ротом призмы можно менять длину волны от 380 до 1000 нм (видимая и ближняя инфракраснаяобласти спектра). Выходящее из щели практически монохроматическое излучение освещаетфоторезистор.Энергия излучения распределена по спектру очень неравномерно.
Чтобы определятьспектральную характеристику ФР, необходимо вычислить отношение JФ/Р, т.е. привести ток кодинаковой освещенности Р. Освещенность измеряется специальным приемником - кремниевым фотодиодом ФД, расположенным рядом с ФР.Фотодиод - фотоэлектрический приемник оптического излучения, в основе действия которого лежит внутренний фотоэффект. В отличие от ФР кристалл фотодиода обладает р-n переходом, к которому приложено запирающее напряжение 10...20 В.
В отсутствие излучениячерез переход протекает небольшой ток JТФД (темновой ток фотодиода), обусловленный термической генерацией электронов и дырок. При освещении кристалла происходит фото генерация электронно-дырочных пар, в результате появляется дополнительный ток JТФД (фототок). Изрезультатов измерения полного JФД и темнового токов можно найти фототок:(12)JФФД = JФД – JТФДФототок пропорционален энергетической освещенности :(13)λ)P или P = JФФД/S(λλ)JФФД = S(λ10Рис. 10Коэффициент пропорциональности S(λ)- чувствительность фотодиода - зависит от длины волны. Функция S(λ) для кремниевого фотодиода дана на рис.10.
Значения S(λ) указаны в относительных единицах, максимальная чувствительность принята за 100 единиц.Рассмотрим спектральную характеристику ФР. Типичная зависимость JФ/Р от λ для ФР с собственной фотопроводимостью дана на рис.11. Красную границу λКР можно найти, продолжив крутойJФ/Pучасток кривой (показано штриховкой).
Энергия фотонов с длиной волны λКР равна ширине запрещенной зоны Eg (см. формулу (3)). Некоторая фото чувствительность при λ >λКР, т.е. при энергии фотоновменьше Eg, объясняется колебаниями кристаллической решетки. Эти колебания вызывают флуктуацииэнергии электронов и влияют на значение Eg.С уменьшением λ (λ <λКР ) быстро растет коλэффициент поглощения света α, возрастает числопоглощённых фотонов и, следовательно, ток (см.λКРформулу (10) и правую часть рис.
11). Падение токапри малых λ объясняется следующим процессом.При очень большом коэффициенте поглощения светаРис. 11рождение большей части электронно-дырочных парпроисходит в тонком поверхностном слое полупроводника, в котором много дефектов кристаллической решетки. Они, ускоряя рекомбинацию, уменьшают время жизни τ носителей и, следовательно, фототок.Изучение световой характеристикиОсвещенность фоторезистора в широких пределах можно менять, помещая в световой пучокразличное число одинаковых светофильтров 4 (см. рис.9). При очень большом ослаблении светачувствительность фотодиода недостаточна для измерения освещенности.
Поэтому светофильт11ры были прокалиброваны на специальном приборе (спектрофотометре). Каждый светофильтрослабляет монохроматическое излучение в Kλ раз, причем значение Kλ зависит от длины волны. Следовательно, N фильтров ослабят излучение в KλN раз.Предположим, что используется максимум четырефильтра, при этом освещенность равна PМИН.lg IОТНБудем выражать освещённость Р в относительных единицах : PОТН=P/ PМИН. Тогда при любом числе фильтров N44-N(от 0 до 4): PОТН=Kλ .Фототок также выразим в относительных единицах3бJОТН=J/ JМИН, где JМИН - ток при четырёх фильтрах.При графическом анализе световой характеристики более45O2информативной является зависимость lg(JОТН) от lg(PОТН)(а не зависимость JОТН от PОТН ), так как величины J и P1alg PОТН изменяются на несколько порядков.
На рис. 12 дана такаязависимость. Если оси задать в одном масштабе, а экспериментальные точки лежат на прямой, проведённой через01234начало координат под углом 45° к осям, то фототок пропорционален освещенности (участок а на кривой). ДляФР характерно, что при больших освещенностях увелиРис .12чение тока отстает от роста освещенности, на световойхарактеристике намечается тенденция к насыщению (участок б).Лабораторная установкаМонохроматор675243129111Пультпитания810ФР1ФДРис. 13Оптическая схема установки дана на рис.
13. Свет лампы накаливания 1 разлагается вспектр монохроматором УМ-2. Для вспомогательных целей служит газоразрядная лампа с линейчатым спектром. Конденсорная линза 2 с фокусным расстоянием F= 94 мм создает изображение источника на входной щели 4. Под щелью расположен микрометрический винт раскрытия щели. Поворотом ручки, расположенной на корпусе прибора (на ручке надписи "Откр.","Закр."), можно перекрывать доступ света в прибор шторкой 5.
Диспергирующая призма 7 соз12дает на экране 9 спектр, который можно наблюдать через отверстие 8. Фоторезистор ФР1 и фотодиод ФД расположены за выходной щелью 11.Призма поворачивается вращением барабана 10, на котором нанесены деления шкалы(отсчет L по шкале численно равен количеству градусов). При вращении барабана спектр смещается относительно выходной щели.Сфокусировать спектр можно, перемещая объектив 6 путем поворота винта 12, связанного со шкалой. Ослабляется излучение калиброванными светофильтрами 3.Лампа, конденсор и фильтры установлены на специальных держателях и могут перемещаться по рельсу.ФДФР1П1220ИПVП3П2ФР2А0÷15 ВРис. 14Электрическая схема лабораторной установки дана на рис.14.Фотодиод ФД и фоторезистop ФР1 расположены в монохроматоре, второй фоторезистор ФР2 на панели электрического блока.
Он предназначен для демонстрационного опыта. Источник питания ИП (с вольтметром V ) можно регулировать от 0 до 15 В. Переключателем П1 изменяютнаправление тока в фоторезисторах. Переключатель П2 включает в цепь один из двух фоторезисторов. Чувствительный амперметр А, в зависимости от положения переключателя П3, можетизмерять ток либо фоторезисторов, либо фотодиода.Для измерения тока используют различные приборы, например, цифровые вольтметрыB7-27, B7-40 и др. Они имеют много пределов измерения, например, у В7-27 шесть пределов потоку - от 1 мкА (на приборе обозначено "1μА ") до 100 мА {на приборе обозначено "100 мА").На табло выводится информация о направлении тока ("+" или "-").Для предохранения прибораот порчи измерения следует начинать с грубого предела, а затем переключать на более чувствительный, чтобы получить максимальное число значащих цифр. В приборе В7-40 переключениепределов автоматическое.
Если ток слишком большой, высвечивается мигающий знак переполнения; в этом случае необходимо изменить предел.Выполнение экспериментаУказания по технике безопасности. Пульт питания ламп, вольтметр и электрическийблок должны быть заземлены. При отсутствии заземления установку не включать и обратитьсяк лаборанту.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
