Методы измерения и приборы

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТОРА

Цель работы

Знакомство с фоторезистором, как полупроводниковым прибором.

Приборы и принадлежности

Микроамперметр 200мка, вольтметр постоянного тока до 250В, выпрямитель, потенциометр, фоторезистор, осветитель.

Теоретическая часть

Фоторезистором - называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого, называемое в этом случае фотосопротивлением, сильно зависит от освещённости. Обычно при изготовлении фотосопротивления на изолирующую подложку наносят тонкий фоточувствительный слой полупроводника и по краям этого слоя наносят металлические электроды. Для предохранения от вредных воздействий фоточувствительная поверхность фотосопротивления покрывается тонкой плёнкой прозрачного лака.

Если затемнённое фотосопротивление включить в электрическую цепь, то через него будет протекать электрический ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. При освещении фотосопротивления ток в цепи увеличивается, следовательно, сопротивление фоточувствительного слоя уменьшилось. Возникающая при этом дополнительная электропроводимость получила название фотопроводимости.

Если откладывать энергию электронов полупроводника на вертикальной оси (рис.1), то окажется, что в чистых полупроводниках, электроны могут занимать определённые различные (широкие) уровни энергии, которые называются зонами. В каждой зоне может поселиться определённое число электронов. Если зона заселена полностью электронами, то электроны этой зоны не могут принимать участие в проводимости тока. В чистом полупроводнике есть полностью заселённая зона (называемая валентной зоной) выше которой расположена пустая зона (называемая зоной проводимости). Валентная зона и зона проводимости разделены более и менее значительным энергетическим барьером DЕ₀, называемым запрещённой зоной.

Если по каким – то причинам электрон, преодолевая энергетический барьер (запрещённую зону), попадает из валентной зоны в зону проводимости, то он начинает принимать участие в проводимости тока (электронная проводимость). Кроме того, отсутствие электрона называется дыркой. Дырка так же начинает принимать участие в проводимости тока (дырочная проводимость).

В примесных полупроводниках электроны атомов, примеси могут занимать дополнительный примесный уровень энергии рисунок 2. Этот дополнительный примесный уровень может быть заселён электронами примесных атомов (донорные примеси), а может быть пустым (акцепторные примеси).

Пусть на поверхности полупроводникового фотосопротивления падает монохроматический световой поток, в состав которого входят фотоны с энергией hn, где h – постоянная Планка, n – частота падающего света. Некоторая часть этого светового потока поглощается в тонком поверхностном слое. Часть поглощённых фотонов рассеивает свою энергию в кристаллической решётке. Некоторые же фотоны отдают свою энергию валентным электронам. Если энергия поглощённого фотона hn ³ DЕ₀, где DЕ₀ – ширина запрещённой зоны данного полупроводника, то валентные электроны переходят в свободную зону и становятся электронами проводимости, а в валентной зоне возникает дырка. Таким образом, один поглощённый фотон с энергией hn ³ DЕ₀, порождает пару электрон – дырка, увеличивая число носителей тока в полупроводнике. Электропроводимость полупроводника заметно возрастает, то ток через фотосопротивление увеличивается.

Явление перехода электронов в зону проводимости за счёт энергии поглощённого фотона получило название внутреннего фотоэффекта. Если hn < DЕ₀, то валентный электрон не может перейти в зону проводимости и внутреннего фотоэффекта наблюдаться не будет. В примесных полупроводниках падающие фотоны могут возбуждаться как валентные электроны, так и примесные центры. В полупроводниках с акцепторными примесями поглощённый фотон может вызвать переход валентного электрона на примесный уровень, а в валентной зоне образуется дополнительный носитель тока «дырка». Внутренний фотоэффект будет наблюдаться при условии, что hn ³ DЕ_a, где DЕ_a – ширина запрещённой зоны между валентными и примесными уравнениями. В полупроводнике с донорными примесями фотоны могут вызвать переход электронов с примесного уровня в зону проводимости, если hn ³ DЕ_ar, где DЕ_ar – ширина запрещённой зоны между примесными уровнями и зоной проводимости.

Для большинства полупроводников примесная фотопроводимость наблюдается при энергии фотонов, соответствующей инфракрасной области спектра. Естественно, что максимальное число фотоэлектронов получается не мгновенно при начале освещения полупроводника, а за некоторое время, определяющее инерционность фотосопротивления. Созданы фотосопротивления с очень малой интенсивностью, для которых t < 10^-6_сек. Фотосопротивления обладают высокой световой чувствительностью, малыми габаритами, простой и дешевизной изготовления. Совокупность этих факторов привела к широкому использованию фотосопротивлений в технике. Каждое фотосопротивление характеризуется рядом параметров, определяющих не только его свойства, но и пределы применимости. В настоящей работе изучается вольтамперная и световая характеристики фотосопротивления.

 

Методы измерения и приборы

Для изучения характеристик фотосопротивления с фоточувствительным слоем сернистого кадмия собирают электрическую цепь по схеме. Фотосопротивление находится на оптической скамье, по которой оно может перемещаться. При перемещении фотосопротивления, его освещенность (а, следовательно, и электрическое сопротивление) изменяются. Осветитель укреплён на конце оптической скамьи.