ЛР3 / 9492_Скотаренко_ЭТ материаловедение_ЛР3
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра МНЭ
ОТЧЕТ по лабораторной работе №3
по дисциплине «Электротехническое материаловедение»
Тема: «Исследование фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов»
Студент гр. 9492 |
|
Скотаренко Д.Д. |
|
Преподаватель |
|
|
Кучерова О.В. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы.
Исследование спектральных зависимостей фотопроводимости полупроводников СdS и СdSе и зависимостей фотопроводимости от уровня оптического облучения.
Основные понятия и определения.
Фотоэлектрические свойства полупроводника описывают изменение электрических характеристик материала при воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона. Возникающие при этом процессы называют
фотоэлектрическими эффектами (фотоэффектами). В однородных по-
лупроводниках наиболее важным является фоторезистивный эффект (ФРЭ), который состоит в уменьшении сопротивления полупроводника под воздействием света. Для возникновения ФРЭ полупроводник необходимо облучать потоком фотонов с энергиями, достаточными для ионизации собственных или примесных атомов. При этом происходит увеличение концентрации свободных носителей заряда и возрастает удельная
проводимость полупроводника. Добавочную проводимость, возникающую при |
|||
фотоактивном поглощении, называют фотопроводимостью . |
|||
и в темноте т: |
|
. |
полупроводника на свету |
Фотопроводимость равна разности проводимостей |
ф |
||
|
ф = с − т |
|
|
Различают собственную и примесную фотопроводимость. Собственная фотопроводимость обусловлена оптическими переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. Примесная фотопроводимость связана с оптическими переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или же с захватом электронов валентной зоны на примесные уровни (образованием дырок в валентной зоне).
Важнейшим свойством ФРЭ является зависимость фотопроводимости от энергии (длины волны) падающего фотона, описываемой спектральной
характеристикой. Для возбуждения собственной фотопроводимости энергия фотонов должна превышать пороговое значение, определяемое шириной запрещенной зоны полупроводника:
где |
|
−15 |
|
пор = = ∆Э |
8 м |
– скорость света; |
||
|
|
– постоянная Планка; |
||||||
|
|
|
|
|
пор |
|
||
∆ |
|
– ширина запрещенной зоны. |
|
с = 3 10 с |
|
|||
|
Э h = 4.14 10 |
|
эВ с |
|
|
|
||
|
|
Пороговое значение длины волны пор, соответствующее ∆Э, называют |
||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
красной границей фотоэффекта. При уменьшении длины волны излучения от пор интенсивность оптических переходов возрастает, что приводит к увеличению концентрации неравновесных носителей заряда и соответствующему росту фотопроводимости.
С другой стороны, при больших энергиях фотонов (малых λ) существенно возрастает коэффициент оптического поглощения, что сопровождается уменьшением глубины проникновения света в полупроводник.
При этом неравновесные носители заряда, возбуждаемые в тонком поверхностном слое, быстро рекомбинируют через уровни поверхностных дефектов. Это приводит к спаду фотопроводимости после некоторого максимума на спектральной характеристике ФРЭ.
Важное значение имеет фоточувствительность материалов. При фотооблучении возникают неравновесные носители заряда, которые при снятии облучения исчезают вследствие рекомбинации.
Основной принцип повышения фоточувствительности материала заключается в увеличении времени жизни неравновесных носителей заряда.
Для этого в материал вводятся примеси, создающие в запрещенной зоне уровни, называемые «ловушками захвата». В отличие от рекомбинационных уровней, на них могут захватываться носители заряда только одного знака, а вероятность захвата носителей другого знака крайне мала.
Вследствие этого время жизни носителей другого знака значительно увеличивается и, соответственно, возрастает их концентрация, что обуславливает высокую фотопроводимость.
Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения называется световой характеристикой. При увеличении уровня облучения полупроводника возрастает интенсивность оптических переходов и, следовательно, растет фотопроводимость.
В области слабых световых потоков характеристика обычно имеет линейный характер. Однако с повышением интенсивности света линейность нарушается, что объясняется усилением роли процесса рекомбинации вследствие того, что часть ловушек захвата начнет превращаться в рекомбинационные центры. Это служит причиной замедления роста фотопроводимости.
3
Описание установки.
В настоящей работе на установке, схема которой представлена на рис. 3.1, исследуются фотоэлектрические свойства полупроводниковых материалов, которые широко используются для производства промышленных фоторезисторов – сульфида кадмия (CdS) и селенида кадмия (CdSe), обладающих высокой чувствительностью к излучению видимого диапазона спектра.
Основной частью установки для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников является монохроматор (см. рис. 3.1). Световой поток от лампы E1, питаемой от источника G, через входную щель монохроматора , ширина которой регулируется микрометрическим винтом,
поступает на диспергирующее устройство2 Π.
На выходе монохроматора (щель ) установлены исследуемые образцы R полупроводниковых материалов. Изменение проводимости фиксируется с помощью цифрового омметра PR.
4
Т2 |
Протокол. |
|
|
|
= 16 МОм, второго резистора |
||||
= 16 МОм |
|
|
|
||||||
-Темновое сопротивление первого резистора - Т1 |
|||||||||
Таблица 1. Протокол первого опыта. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Деления барабана |
R1, МОм |
|
|
R2, МОм |
|
|
||
|
600 |
3,377 |
|
|
14,512 |
|
|
||
|
700 |
2,7 |
|
|
14,171 |
|
|
||
|
800 |
2,082 |
|
|
13,626 |
|
|
||
|
900 |
1,575 |
|
|
12,876 |
|
|
||
|
1000 |
1,159 |
|
|
12,331 |
|
|
||
|
1100 |
0,855 |
|
|
11,338 |
|
|
||
|
1200 |
0,625 |
|
|
9,822 |
|
|
||
|
1300 |
0,458 |
|
|
8,054 |
|
|
||
|
1400 |
0,335 |
|
|
6,279 |
|
|
||
|
1500 |
0,244 |
|
|
4,342 |
|
|
||
|
1600 |
0,163 |
|
|
2,588 |
|
|
||
|
1700 |
0,105 |
|
|
1,458 |
|
|
||
|
1800 |
0,0735 |
|
|
0,757 |
|
|
||
|
1900 |
0,04795 |
|
|
0,342 |
|
|
||
|
2000 |
0,03335 |
|
|
0,15412 |
|
|
||
|
2100 |
0,0352 |
|
|
0,08262 |
|
|
||
|
2200 |
0,03441 |
|
|
0,04773 |
|
|
||
|
2300 |
0,03502 |
|
|
0,01926 |
|
|
||
|
2400 |
0,04125 |
|
|
0,011566 |
|
|
||
|
2500 |
0,06015 |
|
|
0,003598 |
|
|
||
|
2600 |
0,11043 |
|
|
0,00316 |
|
|
||
|
2700 |
0,222 |
|
|
0,007656 |
|
|
||
|
2800 |
0,498 |
|
|
0,04315 |
|
|
||
|
2900 |
1,65 |
|
|
0,337 |
|
|
||
|
3000 |
6,4521 |
|
|
3,483 |
|
|
||
|
3100 |
11,17 |
|
|
11,763 |
|
|
||
|
3200 |
12,269 |
|
|
13,036 |
|
|
||
|
3300 |
12,845 |
|
|
13,422 |
|
|
||
|
3400 |
0,714 |
|
|
13,775 |
|
|
||
|
3500 |
11,966 |
|
|
14,085 |
|
|
||
Таблица 2. Протокол ко 2-му опыту. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
d, мм |
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
0,01 |
|
5,879 |
|
8,698 |
||||
|
0,02 |
|
2,394 |
|
|
1,412 |
|
|
|
|
0,03 |
|
1,71 |
|
|
0,473 |
|
|
|
|
0,05 |
|
0,8255 |
|
|
|
0,174 |
|
|
|
0,1 |
|
0,4293 |
|
|
|
0,05682 |
|
|
|
0,2 |
|
0,2125 |
|
|
|
0,02327 |
|
|
|
0,3 |
|
0,1477 |
|
|
|
0,015693 |
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
0,5 |
0,956 |
0,009582 |
1 |
0,537 |
0,005072 |
2 |
0,3455 |
0,003215 |
4 |
0,343 |
0,003245 |
6
Обработка результатов.
1) Образец CdS
Таблица 3. Обработка данных 1-го опыта для 1-го фоторезистора.
Деления |
|
|
|
|
R1, |
|
с |
ф |
|
ф |
|
ф |
|
||
барабана |
|
|
|
МОм |
|
|
|
|
|||||||
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′ , о. е. |
|||
|
|
0,476 |
|
0,141 |
3,377 |
0,29612082 |
0,23362082 |
1,65688523 |
0,014950586 |
||||||
700 |
|
0,477 |
|
0,143 |
2,7 |
0,37037037 |
0,30787037 |
2,15293965 |
0,019426638 |
||||||
800 |
|
0,478 |
|
0,145 |
2,082 |
0,4803074 |
0,4178074 |
2,88143032 |
0,026000033 |
||||||
900 |
|
0,479 |
|
0,147 |
1,575 |
0,63492063 |
0,57242063 |
3,89401792 |
0,035136923 |
||||||
1000 |
|
0,480 |
|
0,150 |
1,159 |
0,86281277 |
0,80031277 |
5,33541846 |
0,048143124 |
||||||
1100 |
|
0,481 |
|
0,153 |
0,855 |
1,16959064 |
1,10709064 |
7,23588656 |
0,065291633 |
||||||
1200 |
|
0,482 |
|
0,157 |
0,625 |
1,6 |
1,5375 |
9,79299363 |
0,088365197 |
||||||
1300 |
|
0,484 |
|
0,163 |
0,458 |
2,18340611 |
2,12090611 |
13,0116939 |
0,117408522 |
||||||
1400 |
|
0,487 |
|
0,172 |
0,335 |
2,98507463 |
2,92257463 |
16,9917129 |
0,153321459 |
||||||
1500 |
|
0,490 |
|
0,182 |
0,244 |
4,09836066 |
4,03586066 |
22,1750585 |
0,200092382 |
||||||
1600 |
|
0,494 |
|
0,195 |
0,163 |
6,13496933 |
6,07246933 |
31,1408683 |
0,280993645 |
||||||
1700 |
|
0,499 |
|
0,210 |
0,105 |
9,52380952 |
9,46130952 |
45,0538549 |
0,406534807 |
||||||
1800 |
|
0,505 |
|
0,228 |
0,0735 |
13,6054422 |
13,5429422 |
59,3988692 |
0,535974289 |
||||||
1900 |
|
0,512 |
|
0,248 |
0,04795 |
20,8550574 |
20,7925574 |
83,8409571 |
0,756522775 |
||||||
2000 |
|
0,520 |
|
0,270 |
0,03335 |
29,9850075 |
29,9225075 |
110,824102 |
1 |
||||||
2100 |
|
0,528 |
|
0,295 |
0,0352 |
28,4090909 |
28,3465909 |
96,0901387 |
0,867050913 |
||||||
2200 |
|
0,536 |
|
0,323 |
0,03441 |
29,0613194 |
28,9988194 |
89,7796266 |
0,810109219 |
||||||
2300 |
|
0,545 |
|
0,353 |
0,03502 |
28,5551114 |
28,4926114 |
80,7156129 |
0,728321832 |
||||||
2400 |
|
0,555 |
|
0,385 |
0,04125 |
24,2424242 |
24,1799242 |
62,804998 |
0,566708839 |
||||||
2500 |
|
0,566 |
|
0,420 |
0,06015 |
16,6251039 |
16,5626039 |
39,4347712 |
0,355832085 |
||||||
2600 |
|
0,579 |
|
0,460 |
0,11043 |
9,05551028 |
8,99301028 |
19,5500223 |
0,176405872 |
||||||
2700 |
|
0,594 |
|
0,505 |
0,222 |
4,5045045 |
4,4420045 |
8,79604852 |
0,079369455 |
||||||
2800 |
|
0,611 |
|
0,560 |
0,498 |
2,00803213 |
1,94553213 |
3,47416452 |
0,031348456 |
||||||
2900 |
|
0,629 |
|
0,630 |
1,65 |
0,60606061 |
0,54356061 |
0,86279461 |
0,007785261 |
||||||
3000 |
|
0,649 |
|
0,710 |
6,4521 |
0,1549883 |
0,0924883 |
0,13026521 |
0,001175423 |
||||||
3100 |
|
0,672 |
|
0,830 |
11,17 |
0,08952551 |
0,02702551 |
0,03256086 |
0,000293807 |
||||||
3200 |
|
0,697 |
|
0,990 |
12,269 |
0,08150624 |
0,01900624 |
0,01919822 |
0,000173231 |
||||||
3300 |
|
0,725 |
|
1,170 |
12,845 |
0,0778513 |
0,0153513 |
0,01312077 |
0,000118393 |
||||||
3400 |
|
0,758 |
|
1,370 |
0,714 |
1,40056022 |
1,33806022 |
0,97668629 |
0,008812941 |
||||||
3500 |
|
0,800 |
|
1,600 |
′ф |
= 110,824102 |
. . |
|
0,01316882 |
0,000118826 |
|||||
|
|
11,966 |
0,08357012 |
0,02107012 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
у е |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.Обработка данных 2-го опыта для 1-го фоторезистора |
|
|
|
||||||||||||
d, мм |
|
|
1 |
|
|
с |
|
|
ф |
|
|
|
, о. е. |
||
0,01 |
|
|
5,879 |
|
|
0,170097 |
|
0,107596955 |
|
0,0025 |
|||||
0,02 |
|
|
2,394 |
|
|
0,417711 |
|
0,355210944 |
|
0,005 |
|||||
0,03 |
|
|
1,71 |
|
|
0,584795 |
|
0,522295322 |
|
0,0075 |
|||||
0,05 |
|
|
0,8255 |
|
|
1,211387 |
|
1,148887038 |
|
0,0125 |
|||||
0,1 |
|
|
0,4293 |
|
|
2,329373 |
|
2,266873399 |
|
0,025 |
|||||
0,2 |
|
|
0,2125 |
|
|
4,705882 |
|
4,643382353 |
|
0,05 |
|||||
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
0,1477 |
6,770481 |
6,707980704 |
0,075 |
0,5 |
0,956 |
1,046025 |
0,983525105 |
0,125 |
1 |
0,537 |
1,862197 |
1,799697393 |
0,25 |
2 |
0,3455 |
2,894356 |
2,831856006 |
0,5 |
4 |
0,343 |
2,915452 |
2,852951895 |
1 |
Красная граница фотоэффекта для первого фоторезистора – 505 нм.
Мною была замечена неточность (возможно, и неверно) в исходном протоколе 2-го опыта у первого фоторезистора. Предлагаю исправление, как я его вижу, но также оставляю и расчёты по исходным данным (отличие от исходных данных выделено чёрным цветом):
Таблица 5.Обработка данных 2-го опыта для 1-го фоторезистора с предложенным исправлением.
d, мм |
|
|
1 |
|
|
с |
|
ф |
|
|
|
, о. е. |
|||
0,01 |
|
5,879 |
|
|
|
0,170097 |
0,107596955 |
|
0,0025 |
||||||
0,02 |
|
2,394 |
|
|
|
0,417711 |
0,355210944 |
|
0,005 |
||||||
0,03 |
|
1,71 |
|
|
|
0,584795 |
0,522295322 |
|
0,0075 |
||||||
0,05 |
|
0,8255 |
|
|
|
1,211387 |
1,148887038 |
|
0,0125 |
||||||
0,1 |
|
0,4293 |
|
|
|
2,329373 |
2,266873399 |
|
0,025 |
||||||
0,2 |
|
0,2125 |
|
|
|
4,705882 |
4,643382353 |
|
0,05 |
||||||
0,3 |
|
0,1477 |
|
|
|
6,770481 |
6,707980704 |
|
0,075 |
||||||
0,5 |
|
0,0956 |
|
|
|
10,46025 |
10,39775105 |
|
0,125 |
||||||
1 |
|
|
0,0537 |
|
|
|
18,62197 |
18,55947393 |
|
0,25 |
|||||
2 |
|
|
0,03455 |
|
|
28,94356 |
28,88106006 |
|
0,5 |
||||||
4 |
|
|
0,0343 |
|
|
|
29,15452 |
29,09201895 |
|
1 |
|||||
2) Образец CdSe |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Таблица 6. Обработка данных 1-го опыта для 2-го фоторезистора |
|
|
|
||||||||||||
Деления |
|
|
|
|
|
R2, |
|
с |
ф |
|
ф |
|
ф |
|
|
барабана |
|
|
|
|
МОм |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′ , о. е. |
||||
600 |
|
0,476 |
|
0,141 |
|
14,512 |
|
0,068908 |
0,006408 |
0,04545 |
0,000066080 |
||||
700 |
|
0,477 |
|
0,143 |
|
14,171 |
|
0,070567 |
0,008067 |
0,05641 |
0,000082014 |
||||
800 |
|
0,478 |
|
0,145 |
|
13,626 |
|
0,073389 |
0,010889 |
0,075097 |
0,000109183 |
||||
900 |
|
0,479 |
|
0,147 |
|
12,876 |
|
0,077664 |
0,015164 |
0,103156 |
0,000149977 |
||||
1000 |
|
0,480 |
|
0,150 |
|
12,331 |
|
0,081096 |
0,018596 |
0,123976 |
0,000180247 |
||||
1100 |
|
0,481 |
|
0,153 |
|
11,338 |
|
0,088199 |
0,025699 |
0,167967 |
0,000244205 |
||||
1200 |
|
0,482 |
|
0,157 |
|
9,822 |
|
0,101812 |
0,039312 |
0,250397 |
0,000364048 |
||||
1300 |
|
0,484 |
|
0,163 |
|
8,054 |
|
0,124162 |
0,061662 |
0,378294 |
0,000549997 |
||||
1400 |
|
0,487 |
|
0,172 |
|
6,279 |
|
0,159261 |
0,096761 |
0,562564 |
0,000817905 |
||||
1500 |
|
0,490 |
|
0,182 |
|
4,342 |
|
0,230309 |
0,167809 |
0,922025 |
0,001340521 |
||||
1600 |
|
0,494 |
|
0,195 |
|
2,588 |
|
0,386399 |
0,323899 |
1,661019 |
0,002414935 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
1700 |
0,499 |
0,210 |
|
1,458 |
0,685871 |
0,623371 |
2,968434 |
0,004315767 |
|
1800 |
0,505 |
0,228 |
|
0,757 |
1,321004 |
1,258504 |
5,519754 |
0,0080251 |
|
1900 |
0,512 |
0,248 |
|
0,342 |
2,923977 |
2,861477 |
11,53821 |
0,016775258 |
|
2000 |
0,520 |
0,270 |
|
0,15412 |
6,488451 |
6,425951 |
23,79982 |
0,034602248 |
|
2100 |
0,528 |
0,295 |
|
0,08262 |
12,10361 |
12,04111 |
40,81731 |
0,059343764 |
|
2200 |
0,536 |
0,323 |
|
0,04773 |
20,95118 |
20,88868 |
64,67085 |
0,094024114 |
|
2300 |
0,545 |
0,353 |
|
0,01926 |
51,92108 |
51,85858 |
146,9082 |
0,213587883 |
|
2400 |
0,555 |
0,385 |
|
0,01157 |
86,46031 |
86,39781 |
224,4099 |
0,32626668 |
|
2500 |
0,566 |
0,420 |
|
0,0036 |
277,9322 |
277,8697 |
661,5945 |
0,961883718 |
|
2600 |
0,579 |
0,460 |
|
0,00316 |
316,4557 |
316,3932 |
687,8113 |
1 |
|
2700 |
0,594 |
0,505 |
|
0,00766 |
130,6165 |
130,554 |
258,5228 |
0,375862963 |
|
2800 |
0,611 |
0,560 |
|
0,04315 |
23,17497 |
23,11247 |
41,27227 |
0,060005222 |
|
2900 |
0,629 |
0,630 |
|
0,337 |
2,967359 |
2,904859 |
4,610887 |
0,00670371 |
|
3000 |
0,649 |
0,710 |
|
3,483 |
0,287109 |
0,224609 |
0,31635 |
0,000459938 |
|
3100 |
0,672 |
0,830 |
|
11,763 |
0,085012 |
0,022512 |
0,027123 |
0,000039434 |
|
3200 |
0,697 |
0,990 |
|
13,036 |
0,076711 |
0,014211 |
0,014354 |
0,000020869 |
|
3300 |
0,725 |
1,170 |
|
13,422 |
0,074505 |
0,012005 |
0,01026 |
0,000014917 |
|
3400 |
0,758 |
1,370 |
|
13,775 |
0,072595 |
0,010095 |
0,007369 |
0,000010713 |
|
Таблица 7. Обработка |
данных′2ф-го = 687,8113 |
. . |
|
0,005311 |
0,000007722 |
||||
3500 |
0,800 |
1,600 |
|
14,085 |
0,070998 |
0,008498 |
|||
|
|
|
|
|
|
у е |
|
|
|
|
|
|
|
|
опыта для 2-го фоторезистора. |
|
|||
d, мм |
|
2 |
|
с |
|
ф |
|
, о. е. |
|
0,01 |
|
8,698 |
|
|
0,114968958 |
0,052468958 |
0,0025 |
||
0,02 |
|
1,412 |
|
|
0,708215297 |
0,645715297 |
0,005 |
||
0,03 |
|
0,473 |
|
|
2,114164905 |
2,051664905 |
0,0075 |
||
0,05 |
|
0,174 |
|
|
5,747126437 |
5,684626437 |
0,0125 |
||
0,1 |
|
0,05682 |
|
17,59943682 |
17,53693682 |
0,025 |
|||
0,2 |
|
0,02327 |
|
42,97378599 |
42,91128599 |
0,05 |
|||
0,3 |
|
0,015693 |
63,7226789 |
63,6601789 |
0,075 |
||||
0,5 |
|
0,009582 |
104,3623461 |
104,2998461 |
0,125 |
||||
1 |
|
0,005072 |
197,1608833 |
197,0983833 |
0,25 |
||||
2 |
|
0,003215 |
311,0419907 |
310,9794907 |
0,5 |
||||
4 |
|
0,003245 |
308,1664099 |
308,1039099 |
1 |
Красная граница фотоэффекта для второго фоторезистора – 594 нм.
3) Графики спектральных зависимостей и световых характеристик:
9
′ф1ф1
′ф2ф2
Рисунок 1. График спектральной зависимости для 1-го и 2-го фоторезисторов.
lg
ф1
ф2
Рисунок 2. График световой характеристики для 1-го и 2-го фоторезисторов.
10