Тема роботи icon

Тема роботи




Скачати 102.68 Kb.
НазваТема роботи
Дата01.06.2012
Розмір102.68 Kb.
ТипДокументи

Лабораторна робота 3-14


ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОПРОВІДНОСТІ НАПІВПРОВІДНИКА


Тема роботи:

Явище внутрішнього фотоефекту.

Мета роботи:

  1. Вивчити особливості фотоефекту в напівпровідниках.

  2. Дослідити вольт-амперну і світлову характеристики фоторезистора і визначити його інтегральну чутливість.


Технічне обладнання


Установка з фоторезистором і лампою-освітлювачем, випрямляч ВУП-2, вольтметр на 150 В, міліамперметр на 10 мА, реостат на 5000 Ом, сполучні провідники.


^ Загальні вказівки


Домішкова провідність напівпровідників обумовлена домішками – атомами інших елементів в кристалічній ґратці напівпровідника. Домішкову провідність можуть за певних умов створювати і власні дефекти – структурні порушення регулярності ґратки напівпровідника.

Саме домішки визначають тип провідності кристалу – електронний чи дірковий. Домішки вводять або легуванням в процесі вирощування кристалу, або дифузією під час термообробки. Розрізняють донорні домішки й акцепторні. Перші задають кристалу електронний тип провідності, другі – дірковий.

^ Донорні домішки. Широко розповсюджені напівпровідники – германій і кремній – чотирьохвалентні. Це значить, що найвіддаленіша від ядра електронна оболонка ізольованого атома цих елементів містить 4 електрона. При об’єднанні в ґратку саме ці електрони „відповідають” за міцність зв’язку міх сусідніми атомами гратки. Схематично це показано на рис. 1. Цятками зображені обмінні електрони.

Якщо ж в германій чи кремній ввести незначну кількість 5-валентної домішки (фосфору, миш’яку, сурми), в кристалі кожен з уведених атомів опиниться в оточенні атомів основної речовини (рис. 2). У цьому випадку чотири валентні електрони атома домішки обумовлять зв’язок з ґраткою кристала, а п’ятий виявиться „ніби зайвим”. В такій електронній конструкції його зв’язок з атомом домішки стає дуже слабким. При наданні цьому електрону незначної кількості енергії (вона надходить з боку теплових коливань атомів ґратки) цей електрон потрапляє в зону провідності і стає вільним (рис. 2).

Домішки, атоми яких віддають електрони, називають донорами, а виникаючу провідність – електронною (п-провідність). Діаграму енергетичних зон з донорною домішкою показано на тому ж рис. 2. Валентна зона при нулі кельвін заповнена повністю, а зона провідності відповідно пуста. За таких умов інтенсивність теплових коливань ґратки надмала, й електрони домішки, які не беруть участі в утворенні зв’язків, перебувають біля своїх атомів, заповнюючи локальні енергетичні рівні. Такі рівні лежать нижче дна зони провідності на відстані ∆Е. ∆Е << Езабороненої зони і не перевищує 0,01 еВ. Тому при підвищенні температури електрони з локальних рівнів легко переходять в зону провідності, тоді як валентні електрони це зможуть зробити лише при досить високих (вищих за кімнатну) температурах. Отже, при низьких температурах провідність кристалу буде обумовлена носіями зони провідності – електронами.



Рис. 1. Електронні зв’язки між атомами ґратки кремнію.





Рис. 2. Електронні зв’язки атома-донора з атомами ґратки напівпровідника та положення локальних донорних рівнів на енергетичній діаграмі дозволених станів електрону (цятками показано заповнені рівні,  ~ ∆Е).


^ Акцепторні домішки. Якщо в германій чи кремній ввести незначну кількість трьохвалентних домішок (індій, алюміній, бор), то для повноцінного зв’язку атома домішки з атомами ґратки кристалу не вистачатиме одного електрона. У цьому випадку атом домішки може легко притягти до себе електрон від сусіднього атома ґратки, але тоді той перетвориться на позитивно заряджений іон. В ньому утвориться незаповнений електронний зв’язок – вакансія, або дірка (рис. 3). Цей стан не залишається на місці свого утворення, а випадковим чином мігрує по кристалу. Наголошуємо, що рухається не сам утворений іон кремнію, а вакансія електронного зв’язку послідовно змінює своїх „господарів” – атоми ґратки.

Домішки, атоми яких забирають на себе електрони атомів основної речовини, називають акцепторами, а викликану цим процесом провідність кристалу (рух вакансій) називають дірковою провідністю або р-провідністю. Локальні акцепторні рівні розташовані близько до валентної зони (рис. 3), а тому електрони з верхніх рівнів валентної зони (навіть при низьких температурах) легко захоплюються атомами домішки, утворюючи вакансії в системі електронних зв’язків атомів ґратки, – дірки.



Рис. 3. Електронні зв’язки атома акцепторної домішки – атома бору в кремнії – та положення локальних акцепторних рівнів на енергетичній діаграмі дозволених станів електрону (цятками показано заповнені рівні, кружечками – вакансії,  ~ ∆Е) .


Перехід електронів з донорних рівнів у зону провідності, з валентної зони на акцепторні рівні, з валентної зони в зону провідності можна викликати опроміненням напівпровідника світлом. Якщо енергія фотонів h? ? ∆Е, то електрони можуть здійснювати перелічені вище зміни свого енергетичного стану. Чим потужніший світловий потік, тим більше буде таких переходів, тим більшою стане концентрація вільних електронів чи дірок, а значить, буде збільшуватись і провідність кристалу. Одночасно з переходами, що збільшують провідність напівпровідника, зростає кількість і зворотних переходів. Для кожного значення інтенсивності світлового потоку між прямими і зворотними переходами встановлюється рівновага і відповідна провідність напівпровідникового кристала.


^ Метод вимірювання


Фоторезистори – це напівпровідникові елементи електричних кіл, величина опору яких залежить від світлового потоку, що на них падає. Схематично будову фоторезистора й увімкнення його в коло показано на рис. 4. На діелектричну підкладку 1 нанесено шар напівпровідника 2. На напівпровідниковий матеріал нанесено прозоре захисне покриття 3 з лаку. Своєю будовою фоторезистор подібний до напівпровідникового фотоелемента, відмінність між фоторезистором і фотоелементом у принципі роботи. Фотоелемент під час його освітлювання стає джерелом електрорушійної сили, фотострум у ньому тече тільки в одному напрямі. Опір фоторезистора не залежить від напряму струму. Застосовують фоторезистори для тих же цілей, що й фотоелементи, але для реєстрації швидкоплинних процесів вони непридатні, бо мають велику інерційність. Фоторезистори характеризують низкою залежностей і параметрів, які перелічено нижче.

1. ^ Вольт-амперна характеристика фоторезистора – це залежність фотоструму від прикладеної напруги при постійному світловому потоці. Більшість терморезисторів має лінійні вольт-амперні характеристики.

2. ^ Світлова характеристика фоторезистора – це залежність фотоструму від освітленності або від світлового потоку при постійній напрузі. Світлові характеристики фоторезисторів нелінійні. Між фотострумом І та світловим потоком ? існує залежність

I = ?,

де D і ? залежать від фізичних властивостей напівпровідника, при чому 0 < ? < 1.

3. Інтегральна чутливість фоторезистора – це величина, рівна відношенню фотоструму до напруги та свілового потоку

. (1)

Вимірюють ? у мкА/лм∙В або мА/лм∙В.

4. Фоторезистор не може миттєво реагувати на зміни світлового потоку. При збільшенні світлового потоку концентрація носіїв зарядів не може миттєво сягнути нового рівноважного значення, а при зменшенні світлового потоку електрони й дірки також не можуть миттєво рекомбінувати. В цьому виявляється інерційність фоторезистора, яку характеризують сталою часу фоторезистора. Стала часу фоторезистора – це проміжок часу, за який фотострум зменшується в е разів після припинення освітлювання фоторезистора.

5. ^ Кратність зміни опору – це відношення темнового опору фоторезистора до опору при його освітлюванні.

Перевагою фоторезисторів над вакуумними фотоелементами є їх висока чутливість, недоліком – велике значення сталої часу (близько 10–2 с).



Рис. 4.


Схему робочої установки показано на рис. 5. На штоку 1 укріплено лампу-освітлювач 3, що живиться від ВУП-2 змінною напругою 6,3 В. Відстань r від лампи 3 до фоторезистора 4 вимірюють по сантиметровій шкалі, нанесеній на шток. Фоторезистор і лампа знаходяться у світлонепроникному циліндрі 2.

Освітленність фоторезистора лампою з силою світла В

. (2)

Світловий потік, який падає на резистор,

, (3)

де S – площа поверхні фоторезистора.

Для розрахунків беріть

В = 4,2 Кд, S = 2,88∙10–5 м2.

Електричну схему установки показано на рис. 6. Напругу на фоторезисторі регулюють потенціометром R і вимірюють вольтметром, світловий потік і освітленість фоторезистора змінюють переміщуванням лампи.



Рис. 5.


Порядок виконання роботи


  1. С
    кладіть електричне коло за схемою на рис. 6. Лампу-освітлювач підключіть до клем випрямляча ~ 6,3 В і встановіть попередньо на відстані 0,5 0,6 м від фоторезистора. Межі вимірювання фотоструму встановіть до 10 мА, напруги – до 150 В. Роботу установки перевірте у присутності керівника занять.

Рис. 6.


  1. Щоб зняти вольт-амперну характеристику, потенціометром ^ R виставте напругу, рівну нулю, а лампу-освітлювач встановіть на відстані 0,20-0,25 м від фоторезистора. Збільшуючи потенціометром R напругу на фоторезисторі, зніміть покази міліамперметра для значень напруги, вказаних у табл. 1. Після цього відстань між освітлювачем і фоторезистором збільшіть до 0,7 м і розімкніть коло.

  2. Вибравши доцільний масштаб графіка, побудуйте вольт-амперну характеристику фоторезистора. За формулою (3) обрахуйте світловий потік для тієї відстані r, при якій робили вимірювання. За формулою (1) обрахуйте інтегральну чутливість фоторезистора для значень напруги 40, 80, 120 В. Результати запишіть у табл. 1.

  3. Щоб зняти світлову характеристику фоторезистора, подайте на нього напругу 100 В і зніміть покази міліамперметра для значень відстані r, вказаних у табл. 2 (знаком ? у табл. 2 показано максимально можливу відстань r). Розімкніть коло.

  4. За формулою (2) знайдіть освітленість для всіх значень r і побудуйте світлову характеристику фоторезистора. За формулою (3) знайдіть величину світлового потоку і за формулою (1) – інтегральну чутливість для значень r 0,50, 0,35 і 0,20 м. Результати запишіть у табл. 2.

Таблиця 1

U, В

0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

І, мА





































?, мА/лм∙В





































Ф, лм






































Таблиця 2

r, м

?

0,70

0,60

0,50

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

І, мА




























Е, лк




























?, мА/лм∙В





























Контрольні питання


  1. Що таке донорні домішки і що таке акцепторні домішки?

  2. Поясніть механізм утворення вільних носіїв зарядів у власних і домішкових напівпровідниках під дією світла.

  3. Поясніть механізм рекомбінації вільних носіїв зарядів у власних напівпровідниках.

  4. Що таке інтегральна чутливість фоторезистора?

  5. Які залежності виражають вольт-амперна і світлова характеристики фоторезистора?

  6. Чому у фоторезисторах можливий темновий струм?

  7. Що називають сталою часу фоторезистора?

  8. В чому полягає інерційність фоторезисторів і чим вона пояснюється?

  9. В чому переваги й недоліки фоторезисторів у порівнянні з вакуумними фотоелементами?


Укладачі: Єлізаров О.І., Єлізаров М.О.

кафедра фізики КНУ ім. М.В. Остроградського, Кременчук, 2011.

Схожі:

Тема роботи iconТема науково-дослідної роботи. Розділ, що зараз виконується. Звіти з науково-дослідної роботи
Тема Інтегративні технології формування І розвитку професійних та особистісних якостей фахівців
Тема роботи iconТема І. Завдання і зміст науково-дослідної роботи > І. І. Завдання курсу науково-дослідної роботи та її види > Організація і гігієна наукової праці Тема Наукова робота і творчість
Основні принципи збирання матеріалу і його особливості в економічних дослідженнях
Тема роботи iconРоботи
Тема роботи Вибір маркетингових стратегій розвитку підприємства в умовах ринку
Тема роботи iconРоботи
Тема роботи Вибір маркетингових стратегій розвитку підприємства в умовах ринку
Тема роботи iconДокументи
1. /Методичн_ рекомендац_х для самост_йнох роботи студент_в-2009/Тема 10/Пед_атр_я-студ..doc
Тема роботи iconVI. завдання для самостійної роботи змістовий модуль І теоретико-методологічні засади здоров’язбережувальних технологій фізичного виховання дітей в днз тема
Тема Предмет та основні поняття курсу «Оздоровчі технології та діагностичні методики розвитку дітей» – 6 год
Тема роботи iconМетодична розробка з підготовки і роботи на лабораторному занятті №26 для студентів фармацевтичного факультету (спеціальність фармація) Тема: Коринебактерії дифтерії.
Тема: Коринебактерії дифтерії. Бордетели кашлюка. Морфологія та біологічні властивості. Мікробіологічна діагностика захворювань
Тема роботи iconТема Теоретичні та організаційні основи фінансового менеджменту
Тема Тема Визначення вартості грошей у часі та її використання у фінансових розрахунках
Тема роботи iconТема Машини для післязбирального обробітку урожаю. Технологічні процеси роботи машин для очищення І сортування сільськогосподарських культур. Сушіння сільськогосподарських продуктів. Випробування сільськогосподарської техніки Тема 2
Розглянуто І затверджено на засіданні вченої ради інституту механізації І електрифікації сільського господарства
Тема роботи iconТема Машини для післязбирального обробітку урожаю. Технологічні процеси роботи машин для очищення І сортування сільськогосподарських культур. Сушіння сільськогосподарських продуктів. Випробування сільськогосподарської техніки Тема 2
Розглянуто І затверджено на засіданні вченої ради інституту механізації І електрифікації сільського господарства
Тема роботи iconТема Машини для післязбирального обробітку урожаю. Технологічні процеси роботи машин для очищення І сортування сільськогосподарських культур. Сушіння сільськогосподарських продуктів. Випробування сільськогосподарської техніки Тема 2
Розглянуто І затверджено на засіданні вченої ради інституту механізації І електрифікації сільського господарства
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи