Изучение внутреннего фотоэлектрического эффекта в запирающем слое, страница 2

Естественно, что по мере роста энергии фотона при его поглощении вероятность перехода электрона из валентной зоны в свободную должна возрастать, что ведет к увеличе­нию фототока. Однако, при возрастании энергии фотона (уменьшении длины волны) поглощение света происходит во все более тонком приповерхностном слое полупроводника, где велики концентрация электронов и плотность поверхност­ных центров рекомбинации. Первая снижает вероятность об­разования пары электрон-дырка, вторая усиливает процессы поверхностной рекомбинации носителей заряда. То и другое приводят к “завалу” спектральной характеристики тока фото­проводимости в области больших энергий фотона.

Влияние освещенности на величину фототока фотоэлемента

Освещенностью Е плоской поверхности называется отно­шение светового потока Ф, нормально падающего на эту по­верхность, к ее площади S:

,  лк=лм/м.        (6)

Когда известна сила света I* точечного источника, кото­рый освещает поверхность, находящуюся на расстоянии r от него, то освещенность вычисляется по формуле

                 (7)

где  —угол между нормалью к поверхности и лучом.

При низком уровне освещенности концентрация возбуж­денных светом носителей мала по сравнению с концентрацией равновесных носителей, и времена жизни и концентрации свободных носителей независимы друг от друга. При таком условии величина фототока прямо пропорциональна освещен­ности I ~ E.По мере роста освещенности фототок растет как дробная степень освещенности с показателем степени п, причем зна­чение п лежит в пределах от 0,5 до 1, т. е. I ~ Е.

Такая зависимость означает, что время жизни свободных но­сителей уменьшается с увеличением освещенности, т. е. ста­новится зависимым от концентрации свободных носителей.

Измерительная установка

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4а. Фотоэлемент ФЭ находится в левой части горизонтально расположенного корпуса прибора. На торцевой части корпуса размещены две клеммы, к которым подведены выводы от фотоэлемента (к этим же клеммам присоединяется микроамперметр). Фотоэлемент можно вращать вокруг горизонтальной оси (максимальный угол поворота 90°) при помощи рукоятки, рядом с которой укреплена шкала, служащая для измерения угла поворота фотоэлемента. Нулевому положению рукоятки соответствует вертикальное расположение фотоэлемента.

В нижней части откидной крышки корпуса прибора укреплена шкала, предназначенная для измерения расстояний между фотоэлементом и источником света. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента. Внутри корпуса имеются несколько защитных ребер, которые предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей. Черная матовая окраска внутренней части корпуса защищает фотоэлемент от световых бликов. Внутри корпуса прибора на стойке закреплены собирающая линза Л и лампочка накаливания ЛН. Стойка с линзой и лампочкой может передвигаться вдоль оси корпуса в пределах длины шкалы. На подставке прибора расположен тумблер Т, с помощью которого включается лампочка накаливания. В левую часть корпуса (справа от фотоэлемента) можно вставлять необхо­димые светофильтры Ф, которые фиксируются в вертикальном положении специальным винтом.

 

Фотографии всего стенда, прибора с горизонтальным корпусом и выдаваемых лаборантом принадлежностей для выполнения работы приведены на следующих рисунках.

Порядок установки принадлежностей описан в каждом упражнении.

Данные о фильтрах приведены в таблице 2.

На рисунке 4б приведена фотография установки:

 

Рис. 4б. Фотография стенда

1 – стенд, на котором смонтированы измерительные приборы, тумблеры включения лампочки и клеммы для соединительных проводов;

2 – блок питания;

3 – горизонтальный корпус прибора, в который надо вставить лампу накаливния, фильтры и линзу.

На рисунке 5 приведен прибор (горизонтальный корпус) 3.

 

Рис. 5. Фотография прибора с горизонтальным корпусом

1 – место для вставки лампы накаливания;

2 – место для установки линзы;

3 – место для укрепления фильтров (каждый фильтр, вставляемые попеременно, укрепляется в специальной оправе, см. рис.6).

 

Рис. 6. Принадлежности

1 – линза;

2 – лампа накаливания;

3 – фильтры;

4 – держатели для фильтров.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Определение зависимости фототока фотоэлемента от освещенности

Известно, что освещенность поверхности зависит от угла падения на нее света  как  е, где  - освещенность при нормальном падении лучей. Экспериментально снимают зависимость фототока от освещенности, которую изменяют путем варьирования угла падения лучей.

1. Рукоятку фотоэлемента ставят на нуль шкалы угломера.

2. Лампочку с линзой устанавливают на минимальном расстоянии

(6 см) от фотоэлемента.

3. Включают лампочку накаливания и записывают начальное показание микроамперметра I.

4. Изменяя угол падения лучей на фотоэлемент, через 10°, записывают значения фототока I. Ввиду невысокой точности угломера зависимость величины фототока от угла падения лучей снимается несколько (3—5) раз. Вычисляется среднее значение фототока для каждого угла и заносится в таблицу 1.

Обработка результатов измерений

Поскольку величина фототока прямо пропорциональна величине освещенности в степени п, где п может принимать значения от 0,5 до 1, то I ~ , и, следовательно, отношение фототока при произвольном угле падения I к фототоку при нормальном падении I равно : . Логарифмируя обе части последнего соотношения, получаем

.              (7)

Построив график зависимости  от , определить по наклону прямой п.

Таблица 1

Результаты измерений фототока при различных освещенностях фотоэлемента

, град	сos	Iф, мкА					Iфср, мкА	Lg(Iфср)	Lg(cos)
		1	2	3	4	5
0
10
20
...
90

Упражнение 2. Снятие спектральной характеристики фотоэлемента и оценка ширины запрещенной зоны полупроводника

Спектральной характеристикой фотоэлемента называют зависимость его тока короткого замыкания от длины световой волны или энергии фотона  при условии постоянства падающего на фотоэлемент в одну секунду числа фотонов при всех длинах волн .