Изучение явления фотопроводимости полупроводников
Цель работы: изучение основных физических закономерностей, определяющих свойства и принцип работы фотосопротивлений.
Основные задачи:
- снятие вольтамперной и световой характеристик фотосопротивления;
- определение чувствительности и кратности изменения сопротивления.
Методика эксперимента
При освещении полупроводника светом с частотой 
, превышающей красную границу 
, определяемую из условия
,
где 
- ширина запрещенной зоны полупроводника, наблюдается внутренний фотоэффект, заключающийся в появлении избыточных неравновесных носителей тока, которые увеличивают электропроводность полупроводника.
Темновая электропроводность 
полупроводника определяется равновесной концентрацией электронов 
и 
:
, (1)
где 
и 
- подвижности соответственно электронов и дырок.
При освещении полупроводника происходит генерация неравновесных избыточных носителей тока 
и 
, концентрация носителей становится равной 
,
а электропроводность – величине
. (2)
Избыточная (неравновесная) проводимость, равная разности проводимостей при наличии (
) и в отсутствие () освещения, определяет собственную фотопроводимость в химически чистых (собственных) полупроводниках.
. (3)
Когда в веществе имеются примеси, под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости (примесная генерация носителей заряда). В таких полупроводниках наблюдается примесная фотопроводимость.
Фотосопротивлением или фоторезистором называется полупроводниковый прибор, проводимость которого меняется под действием света. Фотосопротивление (ФС) представляет собой сопротивление, состоящее из тонкого слоя полупроводника 2, нанесенного на изолирующую подложку 1 и заключенного между электродами 3 (рисунок lа). Приемная часть ФС покрывается обычно пленкой прозрачного лака и выполняется в виде квадрата, прямоугольника или круга.
|
|
Рисунок 1 - Фотосопротивление и схема его включения
Если ФС включено последовательно с источником напряжения (рисунок 2 б) и не освещен, в его цепи протекает темновой ток
, (4)
где 
- коэффициент, определяемый геометрическими размерами фоточувствительного слоя;
- напряжение, прикладываемое к ФС.
При освещении ФС проводимость фоточувствительного слоя возрастает согласно (2) и через прибор протекает световой ток, равный сумме темного Iт и Iф. Последний определяется как
. (5)
Важными характеристиками ФС являются вольтамперные, световые и спектральные характеристики.
Вольтамперная характеристика представляет собой зависимость фототока 
от приложенного к ФС напряжения 
при постоянном световом потоке 
или освещенности 
. Эта зависимость, согласно (5), имеет линейный характер, т.е. подчиняется закону Ома (рисунок 2а).
Рисунок 2
Световая характеристика выражает зависимость фототока 
от светового потока Ф (или освещенности Е) при неизменном напряжении ФС.
При малом Ф фототок (рисунок 2 б). Знание световой характеристики ФС позволяет использовать его для целей фотометрии.
Спектральная характеристика дает зависимость чувствительности прибора от длины световой волны 
.
Чувствительностью ФС называют величину тока для единицы светового потока, т.е.
|
|
. (6)
Кратность измерения сопротивления равна 
, т.е. отношению темнового сопротивления ФС к его сопротивлению при освещении.
Описание экспериментальной установки
Установка представляет собой электрическую схему включения ФС (рисунок З), в которой П - потенциометр, на который подается напряжение с выпрямителя В. Освещение ФС осуществляется лампой накаливания Л, которая питается от источника постоянного тока (6 В).
Рисунок 12.3