Зависимость сопротивления полупроводника от освещенности

Ц е л ь р а б о т ы: исследовать зависимость сопротивления полупроводника от освещенности.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и: фотосопротивление типа ФСК, источник света, оптическая скамья, осветитель, источник постоянного напряжения, микроамперметр, вольтметр.

5.1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 5.1. Электрическая цепь состоит из источника постоянного напряжения, фотосопротивления, на которое подается свет от источника света (лампы накаливания), микроамперметра и вольтметра. Измерение напряжения на фотосопротивлении рекомендуется производить по вольтметру с высоким классом точности.

5.2. Краткие теоретические сведения

Общим свойством всех полупроводников является существенная зависимость их проводимости от внешних воздействий: нагревания, облучения светом, бомбардировки различными частицами и т. д.

Возникновение в полупроводнике свободных носителей заряда под действием электромагнитного излучения называется внутренним фотоэффектом [7].

Добавочная проводимость, вызванная действием электромагнитного излучения, называется фотопроводимостью.

Различают собственную и примесную фотопроводимость.

Собственная проводимость возникает вследствие возбуждения валентных электронов полупроводника и перехода их в зону проводимости (рис. 5.1, а). В зоне проводимости появляется электрон, а в валентной зоне – подвижная дырка.

Примесная фотопроводимость обусловлена переходом электронов с донорного уровня в зону проводимости (рис. 5.1, б) или из валентной зоны на акцепторный уровень (рис. 5.1, в).

Фотопроводимость может возникать только при возбуждении электронов электромагнитным излучением, энергия фотонов hν которого превышает ширину запрещенной зоны ΔW (для собственного полупроводника) либо величину энергии активации ΔW_D или ΔW_А (для примесных полупроводников). Поэтому существует такая максимальная длина волны, при которой свет является фотоэлектрически активным, она называется красной границей фотопроводимости λ₀ и определяется по формуле:

 для собственных полупроводников;

или  для примесных полупроводников.

Для собственных полупроводников красная граница фотопроводимости λ₀ приходится на видимую часть спектра, для примесных – на инфракрасную.

Наличие свободных электронов, способных перемещаться по полупроводнику, является лишь необходимым условием появления проводимости или фотопроводимости.

Внешнее воздействие (электрическое поле, нагревание, облучение светом, бомбардировка различными частицами и т. д.) стремится изменить энергию электрона, перевести его в новое квантовое состояние с бóльшей энергией. Такие переходы могут осуществляться не только между зонами, но и внутри зоны, если имеются незанятые состояния, т. е. если зона не полностью заполнена электронами. В этом случае, если к полупроводнику приложено внешнее электрическое поле, появляется преимущественное движение электронов (против поля) даже внутри валентной зоны, что и наблюдается в полупроводниках p-типа, легированных акцепторными примесями.

Если валентная зона заполнена электронами полностью, то внешнее электрическое поле не в состоянии изменить характер движения электронов в валентной зоне, поэтому в таких полупроводниках при достаточно широкой запрещенной зоне электропроводность незначит ельна.

На явлении фотопроводимости основано действие полупроводниковых приборов, называемых фотосопротивлениями. Большинство фотосопротивлений состоит из изолирующей подложки 1 (рис. 5.2), на которую в вакууме наносится тонкий слой полупроводника 2. По краям этого слоя также в вакууме наносятся металлические электроды 3. Схема включения фотосопротивления в цепь приведена на рис. 5.1.

Если к фотосопротивлению подключить источник постоянного наряжения, то в темноте через него пойдет темновой ток I_тем, а при освещении – световой ток I_св. Разность между световым и темновым токами называется фототоком I_ф:

I_ф = I_св – I_тем. (5.1)