Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Производство измерений

Саратовский государственный технический университет

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФОТОРЕЗИСТОРА

Методические указания к выполнению

лабораторной работы по физике для студентов

всех специальностей всех форм обучения

САРАТОВ 2011

Составили –Шумилин А.И.,

Древко Д.Р.,

Слепухин А.Ю.,

Рихтер Л.Я.

Рецензент – доктор физ.-мат. наук, заведующий кафедрой «Общая Физика» СГТУ проф. Зимняков Д.А.

Цель работы: С нятие семейства вольтамперных характеристик фоторезистора и определение его интегральной чувствительности.

Основные понятия

Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, в результате которого происходит обмен энергией между квантами света (фотонами) и электронами вещества. Процесс этого взаимодействия называется фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом. Для твердых тел различают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют свое энергетическое состояние, что приводит к изменению электрического сопротивления вещества.

Внешний фотоэффект может наблюдаться во всех твердых телах. Для полупроводников и изоляторов характерен также и внутренний фотоэффект. Полупроводниковые приборы с внутренним фотоэффектом называются фотосопротивлениями или фоторезисторами. Их действие основано на явлении фотопроводимости – способности полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при поглощении электромагнитного излучения.

Рассмотрим подробнее процесс поглощения света полупроводником.

Попадая на полупроводник, фотон с энергией E=hν, равной или несколько большей ширины запрещенной зоны , переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости (см. «Зонную теорию»). Образующаяся при этом пара дополнительных носителей тока - электрон и дырка – участвует в создании собственной проводимости полупроводника (рис. 1а). Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,1—4 эВ[1]. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. В этом случае шириной запрещённой зоны называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны.

Для возбуждения примесных атомов фотон должен обладать энергией , где - энергия активации этих атомов.

В полупроводнике с электронной проводимостью фотоны переводят электроны с донорных уровней в зону проводимости, увеличивая тем самым концентрацию свободных электронов в полупроводнике (рис. 1б). В полупроводнике с дырочной проводимостью фотоны вызывают переход электронов из валентной зоны на примесные акцепторные уровни (рис. 1в), что приводит к повышению концентрации дырок в валентной зоне.

а) б)

в)

Рис. 1. Процесс поглощения света полупроводником.

а) переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; б)) переход электрона с донорного уровня в зону проводимости; в) переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень

Таким образом, при для проводников с собственной проводимостью (1) и для проводников с примесной проводимостью (2) в полупроводнике появляются добавочные носители заряда, и его проводимость возрастает (сопротивление уменьшается). Эта дополнительная проводимость, приобретенная полупроводником при облучении светом, и является фотопроводимостью. Если прекратить освещение полупроводника, то образовавшиеся под действием света электроны и дырки рекомбинируют, и в полупроводнике останутся только свободные носители заряда, возбужденные тепловыми колебаниями. Эти носители также обусловливают некоторую проводимость полупроводника в отсутствии освещения, называемую темновой проводимостью.

Таким образом, основными видами поглощения света в полупроводнике являются:

1) собственное поглощение света, приводящее к переходу электрона из связанного состояния в свободное, то есть из валентной зоны в зону проводимости. Собственное поглощение возможно при условии и наблюдается в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны.

2) примесное поглощение, возможное при условии , вызванное ионизацией атомов примеси, то есть или переходом электронов от атома примеси в зону проводимости, или из валентной зоны на уровни примеси. Проявляется в ИК или далекой ИК-области спектра.

Кроме вышеуказанных, встречаются и другие механизмы поглощения света, например, внутризонное поглощение в веществах со сложной структурой энергетических зон, экситонное поглощение (см. ниже) и пр.

Согласно квантовой теории, энергия кванта света зависит от частоты ν (длины волны ) света

Поэтому не всякий свет является фотоэлектрически активным: для того, чтобы произошел внутренний фотоэффект, энергия кванта света должна удовлетворять условиям (1) и (2). Отсюда следует, что существует минимальная частота ν (максимальная длина волны λ), при которой энергии кванта света еще не достаточно для того, чтобы вызвать внутренний фотоэффект. Эта длина волны λ₀ называется красной (длинноволновой) границей фотоэффекта.

Для длинноволновой границы фотоэффекта формулы (1) и (2) принимают вид

(1)

(2)

Отсюда длинноволновая граница фотоэффекта

для полупроводников с собственной проводимостью,

для полупроводников с примесной проводимостью.

При длинах волн , больших , фотоэффект уже не происходит, так как при этом энергия фотона недостаточна для преодоления запрещенной зоны или .

Для чистых полупроводников достигает 3 электронвольт (у различных полупроводников различна, (см.табл.). Для них обычно красная (длинноволновая) граница приходится на видимую часть спектра. Примесные полупроводники имеют порядка десятых долей электронвольта. Красная граница лежит для них в инфракрасной области спектра.

Таблица

Фотопроводимость полупроводников практически проявляется в сравнительно узком спектральном интервале. На рис.2 показана зависимость фотопроводности σ_ф (величина, обратная удельному сопротивлению) от длины волны падающего света. Как уже упоминалось, свет с длиной волны, большей , является неактивным. С другой стороны, свет с длиной волны, меньшей λ_max становится все менее активным по мере уменьшения , хотя энергия квантов этого света более чем достаточна для активации проводимости.

Рис. 2 Зависимость фотопроводимости σ_ф от длины волны падающего света λ

Наличие фотоэлектрически неактивного поглощения фотонов свидетельствует о существовании особого механизма возбуждения атомом, не приводящего к появлению носителей тока. Таким механизмом является экситонное поглощение.

Экситонное поглощение приводит к созданию связанной пары электрон-дырка, называемой экситоном. Экситон является электрически нейтральной системой, подобной атому водорода. Поэтому экситонное поглощение непосредственно не увеличивает концентрации свободных носителей заряда. Следовательно, поглощение света в этом случае не приводит к увеличению проводимости полупроводника. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости (рис.3).

Рис. 3 Уровни энергии экситонов

При изготовлении фоторезисторов используют наиболее светочувствительные полупроводники: сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий.

Фоторезисторы делаются из монокристаллических пластинок, прессованных таблеток или в виде тонких слоев, нанесенных на изолированную подложу. Последний способ сейчас получил наибольшее применение. На светочувствительный слой наносятся металлические электроды. Для защиты от механических повреждений конструкция помещается в пластмассовую оправу. Светочувствительный слой сверху покрывается тонкой пленкой прозрачного лака (рис.4)

Рис. 4 Конструкция фоторезистора

1 – электроды; 2 – защитное покрытие; 3 – изолирующая подложка;

4 – полупроводник

Важнейшими характеристиками фоторезисторов являются:

1) интегральная чувствительность;

2) спектральная чувствительность;

3) вольтамперная характеристика;

4) частотная характеристика;

5) световая характеристика.

Под интегральной или удельной чувствительностью фоторезистора понимают отношение фототока к величине падающего светового потока, если к фоторезистору приложено напряжение в 1 вольт:

, (3)

где - фототок,

U – приложенное к фоторезистору напряжение,

Ф – световой поток.

Понятие удельной чувствительности оправдывает себя лишь при наличии линейной зависимости между фототоком и приложенным напряжением.

Зависимость фототока от интенсивности светового потока у фоторезисторов имеет нелинейный характер, поэтому при экспериментальном определении интегральной чувствительности необходимо указывать величину светового потока, при котором проводилось определение чувствительности. Обычно интегральная чувствительность резисторов уменьшается с увеличением светового потока.

Спектральная чувствительность характеризует величину фототока, возникающего под действием излучения определенной длины волны. Обычно спектральная характеристика изображается в виде графика, где по оси абсцисс отложены длины волн, а по оси ординат – соответствующие значения фототока, и имеют вид кривой с одним или несколькими максимумами.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) выражает зависимость фототока от напряжения. При неизменной величине светового потока у большинства фоторезисторов вольтамперная характеристика имеет линейный характер.

Частотная характеристика определяет инерционные свойства фотопроводимости. Когда на фоторезистор падает переменный световой поток с частотой f, величина фототока зависит от f – с увеличением частоты f величина фототока уменьшается.

Производство измерений

Целью работы является снятие семейства вольтамперных характеристик фоторезистора и определение его интегральной чувствительности.

Рис.5 Принципиальная схема лабораторной установки

Принципиальная схема установки изображена на рис. 5. Здесь ε – источник постоянного напряжения; R – потенциометр, изменяющий напряжение на фоторезисторе; Ф – фоторезистор, V – вольтметр, - микроамперметр.

Световой поток Ф, попадающий на светочувствительную поверхность S фоторезистора, можно рассчитать на основании закона освещенности

, (4)

где E – освещенность фоторезистора (лк),

I – сила света лампочки (кд),

r – расстояние от источника света до фоторезистора (м).

Из формулы (4) видно, что световой поток Ф, падающий на светочувствительный слой, зависит от расстояния r между лампочкой и фоторезистором. Следовательно, передвигая лампочку, можно менять величину светового потока, падающего на светочувствительный слой.

1. Для снятия вольтамперных характеристик устанавливают лампочку от фоторезистора на расстоянии r, указанном преподавателем. Меняя с помощью потенциометра R напряжение V на фоторезисторе от 0 до 150 В через каждые 10 В, отмечают соответствующие значения фототока. Аналогичные измерения проводят еще для двух положений лампочки. Для каждого расстояния по формуле (4) рассчитывают значение светового потока. Полученные данные сводят в следующую таблицу

r	Ф V				…
=	=
=	=
=	=

По полученным данным строят график семейства вольтамперных характеристик, где по оси абсцисс откладывают значения напряжения в вольтах, по оси ординат – фототок в микроамперах. На одном графике располагают все три вольтамперные характеристики, каждая из которых соответствует определенному постоянному значению светового потока.

2. Подставляя формулу (4) и (3), для интегральной чувствительности можно получить выражение

(5)

где - сила фототока (мкА);

r – расстояние от источника света до фоторезистора (м);

U – приложенное напряжение (В);

S – площадь светочувствительного слоя (м²);

I – сила света лампочки (кд).

Выражается интегральная чувствительность в микроамперах на люмен-вольт.

Интегральную чувствительность по формуле (5) рассчитывают для нескольких значений светового потока и напряжения по указанию преподавателя.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего?

2. Почему при освещении полупроводника его сопротивление уменьшается?

3. Что такое длинноволновая граница фотопроводимости и как её определить?

4. Объяснить график зависимости фотопроводимости от длины световой волны?

5. Какова конструкция фоторезисторов?

6. Каковы характеристики фоторезисторов?

7. Как практически определить удельную чувствительность фоторезистора?

Литература.

1. Трофимова Т.И. «Курс физики», изд-во: Академия, 2008

2. Савельев И.В. Курс общей физики, Т.3, СПб: «Лань», 2007

3 Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, изд-во: Академия, 2009. – 720 с.

4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М. Высшая школа 1977.

Приложение

Шкала электромагнитных волн.

[1] электрон-вольтом [эВ]. Электрон-вольт – это энергия, приобретаемая частицей, несущей один элементарный заряд (заряд электрона e = 1,6 10^-19 Кл)