Федеральное агентство по образованию

Муромский институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Кафедра: «Физика»

Дисциплина: физика

Лабораторная работа № 1.04 «Исследование характеристик фотосопротивления»

Утверждена на методическом семинаре кафедры физики

Зав. кафедрой____________

Муром 2005

Техника безопасности

1.Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2.Не включать собранную схему, пока не изучите инструкцию по данной работе и не получите на это разрешения лаборанта или преподавателя.

3.Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показания с приборов. Категорически запрещается оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. Строго соблюдать порядок выполнения работы, описание и инструкции.

5. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов. Твердо знать, где расположен общий выключатель и порядок пользования им.

6. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и привести в порядок рабочее место.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.04

«Исследование характеристик фотосопротивления» приборы и принадлежности:

Реостат в цепи осветителя на 4-6 Ом;

Амперметр переменного тока на 3 А;

Вольтметр на 30 В;

Амперметр на 750 мкА;

Реостат на 500-100 Ом, провода.

1. Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость полупроводников охватывает круг вопро­сов, связанных с изменением сопротивления полупроводников под действием света. По своей сущности фотопроводимость является одним из проявлений внутреннего фотоэффекта. Различают нор­мальный фотоэффект, когда наблюдается увеличение фотопроводи­мости под действием света, и аномальный фотоэффект, при котором наблюдается уменьшение проводимости. Аномальный фотоэффект – явление крайне редкое.

Опытами доказано, что увеличение проводимости полупровод­ников под действием света связано с увеличением концентрации носителей тока, которая обусловлена выбиванием фотонами элект­ронов с заполненных уровней. Существует три основных процесса для увеличения концентрации носителей тока под действием света.

Падающие фотоны выбивают электроны из заполненной валентной зоны и сообщают им такую энергию, что электроны попадают в зону проводимости полупроводника. При этом возрастает число электронов в зоне проводимости и число дырок в валентной зоне, что ведет к увеличению собственной проводимости полупроводника (рис 1а). Такие переходы возможны, если энергия фотонов:

hv > E (1)

Зона проводимости Зона проводимости Зона проводимости

а б в

Под действием света электроны переходят с донорных уров­ней в зону проводимости (рис.16), что приводит к возрастанию электронной проводимости

полупроводника. Указанные переходы возможны, когда энергии фотонов

h> E (2)

Фотоны падающего света выбивают электроны из заполненной валентной зоны и переводят их на акцепторные уровни атомов примеси (рис1в). При этом возрастает число дырок в валентной зоне и увеличивается дырочная проводимость полупроводника. Условие возбуждения электронов в данном случае:

hE (3)

Из соотношений (1), (2), (3) определяется красная граница фотопроводимости для рассмотренных процессов возбуждения электронов. После прекращения действия света возникшие под его влиянием носители тока рекомбинируют. В полупроводнике остаются только свободные носители тока, возбуждённые тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Эти носители тока обеспечи­вают проводимость в отсутствии освещения, которая называется темновой проводимостью₀. Рассмотрим собственный полупроводник.

Его темновая проводимость₀. Она равна

=е(nU_n+рU_p)=en(U_n+U_p) (4)

Здесь е - элементарный заряд; n,p - концентрации электронов и дырок; U_n, U_p - их подвижность. Для собственного полупроводника n=p. Под действием света в единице объема по­лупроводника возникает n электронов и р дырок. Его проводимость оказывается равной

= е(n+n)(U_n+U_p) (5)

Фотопроводимость полупроводника

_ф= -₀=еn (U_n-U_p) (6)

Как видно из соотношений (1), (2), (3) энергия, необходи­мая для создания (генерации) свободных носителей тока под действием света зависит от энергии активации. Свободные носители, возникающие под действием света, называются фотоносителями (фотоэлектроны и фотодырки). Энергия активации зависит от природы полупроводника. Так в примесных полупроводниках ширина запрещенной зоны лежит в интервале от 0,05 до 0,5 электронвольт. В соответствии с этим красная граница фотопроводимости для них лежит в видимой и инфракрасной области. При освещении полупроводника светом с частотой _кр (_кр-определя­ет красную границу фотопроводимости) часть энергии фотона рас­ходуется на перевод электрона в зону проводимости, оставшаяся часть (h>E) передается электрону в виде его кинетической энергии. Избыток кинетической энергии фотоэлектронов под средней энергией тепловых колебаний в кристалле идет на увеличение этих колебаний, т.е. на нагревание кристалла. Свет с частотой v>v_kp поглощается в очень тонком поверхностном слое полупроводника и не оказывает существенного влияния на процессы, происходящие в его объеме.