70к (лаба) (997507), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Каковазависимостьэлектропроводностипримесногополупроводника от температуры?2. Как работает мост Уинстона?3. Каким образом в работе определяется энергия ионизациипримесей исследуемого полупроводника?ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 136/137Определение чувствительностифотоэлементаи фотосопротивленияЦель работы: определение интегральной чувствительностифотоэлемента с запирающим слоем и удельной чувствительностифотосопротивления.219Методика измеренийСеленовый фотоэлемент (лаб.работа №136) с запирающим слоемжелезоимеетследующееустройствоГселенА(рис.12.23).Железнаяпластинка, Азолотослужащаяпервымэлектродом,покрывается слоем кристаллическогоселена,обладающегор–Светпроводимостью.Наповерхностьселена наносится тонкий слой n–Рис.
12.23полупроводника(А–А).Вторымэлектродом служит полупрозрачный слой золота.Свет проходит через тонкий слой золота и попадает в область р–nперехода, образующегося между n–полупроводником и селеном.Наблюдается вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающегослоя), в результате которого через гальванометр Г течет ток.Рассмотрим подробнее это явление.EkВ отсутствии освещения р–n переходрnнаходится в равновесном состоянии.Под действием света в р– и n–областяхпоявляютсядобавочныеосновные и неосновные носителизаряда (электрон–дырка, как показаноРис.
12.24на рис. 12.2). При этом неосновныеносителидлякаждойобластиподхватываются контактным полем р–n перехода и перебрасываются вдругую область (см. рис.12.24). Вследствие этого р–область заряжаетсяположительно, а n–область – отрицательно.Если фотоэлемент подключить к внешней нагрузке, то в ней будеттечь ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда,который увеличивается с увеличением освещенности поверхностифотоэлемента.Интегральнойчувствительностью фотоэлементаназываетсяотношение фототока i к световому потоку, падающему насветочувствительную поверхность:i.(12.23)Здесь Ф – световой поток, единицы измерения светового потока [Ф] = 1люмен (лм).220SРdРис.
12.25Пусть свет от точечного источника токаP падает на поверхность фотоэлементаплощадью S (рис.12.25). Сила светаисточника J кандел. Тогда на поверхностьфотоэлемента,находящегосянарасстоянии d, падает световой потокJ ,(12.24)гдеS d 2 – телесный угол, под которымвидна поверхность S из точки Р.Формулу (12.24) можно записать в видеJS.(12.25)d2Тогда согласно (12.23) интегральная чувствительность фотоэлементаравнаid2.(12.26)JSФотосопротивление (лаб. работа №137)состоит из светочувствительного слоя3полупроводника 2 толщиной около 1 мкм,2нанесенного на стеклянную пластину 1(рис.12.26).
На поверхность полупроводника1наносятсяэлектроды2,обычновыполняемыеиззолота.Рис. 12.26Светочувствительнаяповерхностьзаливается толстым слоем прозрачного лака. Фотосопротивлениемонтируется в пластмассовом корпусе.Под действием света собственная проводимость чистого полупроводникавозрастает за счет появления свободных носителей заряда: электроновв зоне проводимости и дырок в валентной зоне (рис.12.2). Следовательно,при подключении внешнего напряжения u в цепи будет течь ток.Интегральную чувствительность фотосопротивления можно такжеопределить по формуле (12.26).
Но, в отличие от фотоэлементов сзапирающим слоем, у фотосопротивлений величина фототока зависитне только от освещенности, а и от приложенного напряжения. Поэтомудляхарактеристикиихкачестваприменяютудельнуючувствительность . Удельной чувствительностью фотосопротивленияназывается отношение его интегральной чувствительности кприложенному напряжениюСвет221.uС учетом формулы (12.26) получаем(12.27)id2.(12.28)JSuФотопроводимостьполупроводниковыхфотоэлементовифотосопротивлений значительно выше, чем у фотоэлементов,основанных на внешнем фотоэффекте.Экспериментальная установкаДляопределениячувствительностифотоэлементаифотосопротивления предназначена экспериментальная установка,общий вид которой приведен на рис.12.27.На оптической скамье 3 размещаются: фотоэлемент с запирающимслоем 1, фотосопротивление 2 и источник света 4 – лампа накаливания.Подключение к измерительным приборам фотоэлемента ифотосопротивления осуществляется соответствующими тумблерами.Перемещая лампу 4, можно изменять расстояние d от фотоэлементадо лампы, которое измеряется по шкале на оптической скамье 3.Фототок измеряют микроамперметром 6.
Напряжение нафотосопротивлении изменяют с помощью переменного сопротивленияR и измеряют вольтметром 5.d1652312ВвклвыклАф.элем. ф.сопр..VRРис. 12.274222Параметры установки:радиус светочувствительной поверхности фотоэлемента R = 0,018 м,площадь поверхности фотосопротивления S = 35 10–6 м,сила света лампы J = 25 Кд.Порядок выполнения работыУпражнение 1.Определение интегральной чувствительностифотоэлемента с запирающим слоем.1. Установить лампу 4 на расстоянии d = 0,8 м от фотоэлемента 1(рис.12.27).2.
Подключить лампу к сети 220 В.3. Открутив стопорный винт, опустить фотосопротивление 2, какпоказанонарис.12.27,чтобыононезагораживалосветочувствительную поверхность фотоэлемента 1. Открыть крышкуфотоэлемента.4. Установить переключатель ―фотоэлемент‖ в положение ―вкл‖, апереключатель ―фотосопротивление‖ в положение ―выкл‖.5.
Измерить фототок микроамперметром 6 и записать полученноезначение в табл.12.8.6. Повторить измерения для расстояний от фотоэлемента до лампыd = 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 м.7. Закрыть крышку фотоэлемента.8. Подсчитатьплощадьсветочувствительнойповерхности2фотоэлемента S = R . По формуле (12.26) вычислить интегральнуючувствительность фотоэлемента для каждого расстояния.Таблица 12.8№п.п.12345dм0,80,91,01,11,2iмкАмкА/лммкА/лм9. Определить среднее значение интегральной чувствительностидля всех измерений.Упражнение 2.Определение удельной чувствительности фотосопротивления.2231. Поместить лампу на расстоянии 30 – 40 см от фотосопротивления2 (рис.12.27).2.
Поднятьфотосопротивление2так,чтобыегосветочувствительная поверхность располагалась на одной горизонталис лампой 4.3. Подключить установку к сети 12 В и замкнуть цепь тумблером.4. Установить переключатель ―фотоэлемент‖ в положение ―выкл‖, апереключатель ―фотосопротивление‖ в положение ―вкл‖.5. С помощью регулируемого сопротивления R установитьнапряжение u = 1 В.
При этом необходимо учесть цену делениявольтметра 5. Цена деления определяется по формулеu max,u0Nгде umax – предел измерения вольтметра (написан на вольтметре), N –общее число делений шкалы вольтметра. (Чаще всего в работеприменяется вольтметр с umax = 15 В и N = 75 делений, тогда ценаодного деления u 0 15 75 0,2 B ).6. Измерить по микроамперметру 6 величину фототока i ирезультаты измерений занести в табл.12.9.Таблица 12.9№п.п.12345678910uВ12345678910iмкАмкА/(лм В)мкА/(лм В)7. Повторить измерения по п.п.5,6, увеличивая напряжение u через1 В до значения 10 В.8. Построить зависимость фототока от приложенного напряжения i = f(u).9.
По формуле (12.28) вычислить удельную чувствительностьфотосопротивления и определить среднее значениедля всехизмерений.10. Отключить установку тумблером и отсоединить лампу от сети.224Контрольные вопросы1. Что называется интегральной чувствительностью фотоэлемента?2. В чем заключается вентильный фотоэффект?3. Что такое удельная чувствительность фотосопротивления?4. Опишите принцип работы фотосопротивления.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 170Определение концентрации и подвижностиносителей заряда в полупроводникахЦель работы: измерение концентрации и подвижности носителейзаряда в полупроводниках различного типа.Методика измеренийКонцентрация носителей заряда в полупроводниках и металлах и ихзнак могут быть определены с помощью эффекта Холла.Пусть по проводнику или полупроводнику, имеющему формупрямоугольного параллелепипеда, протекает ток i. Поместим образецво внешнее магнитное поле, вектор магнитной индукции которогонаправлен перпендикулярно направлению тока и боковым гранямобразца (рис.12.28).
Тогда между электродами, касающимися верхнейи нижней грани образца, возникнет разность потенциалов х.bFлvaFлbiaBа)viBб)Рис. 12.28Она обусловлена силой Лоренца Fл (7.10), действующей наэлементарный заряд е, движущийся в магнитном поле индукцией В соскоростью v :(12.29)Fл e [v B] ,или в скалярной формеFлevB .225Эта сила в будет смещать заряд любого знака к верхней граниобразца (см.
рис.12.28 а,б). Следовательно, знак холловской разностипотенциалов зависит от знака заряда. Смещение зарядов будетпроисходить до тех пор, пока возникающая электрическая силаотталкивания F eE не уравновесит силу ЛоренцаeE evB .(12.30)Следовательно, получаемE vB .(12.31)Скорость v движения отдельных зарядов величиной e связана сплотностью тока j соотношениемje nv ,(12.32)где n – концентрация носителей заряда.Из формул (12.31)–(12.32) имеемjB.enE(12.33)С другой стороны, для однородного электрического полянапряженность Е и разность потенциалов х связаны соотношениемxEa,(12.34)где a – высота образца.ТогдаxjaB .en(12.35)Плотность тока j по определению равнаjiSi.ab(12.36)Здесь S = ab – площадь поперечного сечения образца.Подставляя (12.36) в (12.35), окончательно получаемx1 Bien bRxBi.b(12.37)Величина R x 1 e n называется постоянной Холла.
При болееточном расчете значения Rх для металлов и полупроводниковразличаются:для металлов226Rx1,en(12.38)для полупроводников с основными носителями заряда одного знака(т.е. для р– или n– полупроводников)Rx3.8e n(12.39)Определив из опытных данных постоянную Холла, по формуле(12.39) можно вычислить концентрацию основных носителей заряда вр– или n– полупроводнике.Если известно значение Rх и удельная электропроводность , то дляполупроводников с основными носителями заряда одного знака можнонайти их подвижность :8Rx .3(12.40)При проведении измерений с помощью эффекта Холла следуетучесть, что изменение направления магнитного поля или тока ведет кизменению знаках. Это позволяет исключить всякого родапобочные эффекты, которые сохраняют свой знак при изменениинаправления поля или тока.
На практике измерения проводят дважды спротивоположными направлениями тока или поля и берут среднеезначениеx.Экспериментальная установкаДля определения концентрации и подвижности основных носителейзарядавпримесныхполупроводникахпредназначенаэкспериментальная установка, общий вид которой приведен нарис.12.29.Магнитное поле создается с помощью электромагнита. Катушка 4электромагнита намотана на одну из сторон прямоугольного железногосердечника 5, имеющего прорезь для размещения датчика Холла 3.Источник питания датчика Холла включается тумблером «3В».Питание электромагнита осуществляется от источника постоянноготока напряжением 12 В, включаемого соответствующим тумблером.В работе используются полупроводниковые датчики двух типов: сэлектронной и дырочной проводимостью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
