Изучение внутреннего фотоэлектрического эффекта в запирающем слое, страница 3

Изменение длины волны света, падающего на фотоэлемент, производится в данной работе при помощи набора светофильтров.

1. Для снятия спектральной характеристики источник света устанавливают на минимальном расстоянии (6 см) от фотоэлемента.

2. Поочередно меняя светофильтры, записывают показания микроамперметра Iфо.

3. Ввиду того, что интенсивность света лампы накаливания различна для разных длин волн, при построении графика зависимости фототока от длины волны падающего света необходимо делать поправку, учитывающую распределение энергии в спектре излучения вольфрамовой нити, нагретой до определенной температуры. Чтобы измеренные для разных длин волн фототоки соответствовали одной и той же энергии светового потока, необходимо значения фототоков поделить на соответствующие коэффициенты А, указанные в таблице для каждого из светофильтров. Кроме того, используемые светофильтры различаются оптической плотностью. Поэтому измеренные для различных длин волн фототоки Iфо необходимо еще поделить на соответствующие коэффициенты В, указанные в таблице 2.

4. Число фотонов, падающих на единицу площади поверхно­сти фотоэлемента в единицу времени N равно интенсивности света, деленной на энергию единичного фотона , при условии нормального падения, то есть

,                 (8)

где с—скорость света, h — постоянная Планка (). При постоянной интенсивности света I, как видно из этого выражения, число фотонов N прямо пропорционально длине волны. Чтобы число фотонов, падающих на единицу площади фотоэлемента в единицу времени, не зависело от длины волны, необходимо было бы поделить обе части этого выражения на , то есть ввести

.

Вместо этого, достаточно поделить соответствующее каждому светофильтру значение тока Iфо не только на коэффициенты А и В, но и на длину волны , т. е. вычислить . Это справедливо потому, что интенсивность каждого монохрома­тического излучения мала и соответствующий фототок прямо пропорционален ей.

5. Спектральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение фототока короткого замыкания к числу падающих на него в единицу времени квантов света определенной длины волны , т.е.

,

где S - площадь освещаемой поверхности фотоэлемента.

Относительной спектральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение  к наибольшей для рассмат­риваемого диапазона длин волн чувствительности , т.е. . В нашем случае относительная спектральная чувствительность может быть вычислена по формуле

.

Это обусловлено тем обстоятельством, что при нашей обработке экспериментальных данных число фотонов, падающих на поверхность фотоэлемента в единицу времени одно и то же для всех длин волн.

Следует иметь в виду, что не все генерированные светом носители участвуют в образовании фотоэдс. Структура фотоэлемента может влиять на КПД преобразования световой энергии в электрическую. Поэтому длинноволновый край спектральной чувствительности фотоэлемента смещен в сто­рону более коротких волн относительно таково же для спек­тральной чувствительности фотопроводимости и коэффициен­та поглощения. Поэтому по красной границе спектральной чувствительности фотоэлемента можно провести лишь оценку максимальной величины ширины запрещенной зоны полупро­водника.

Обработка результатов измерений

1. Вычислить энергию фотона излучения, пропускаемого каждым светофильтром и занести в таблицу 2.

2. Измерив значение фототока  для отдельного светофильтра, поделить его на коэффициенты А и В и соответствующую длину волны , занести в таблицу 2.

3. Вычислить относительную спектральную чувствитель­ность  для каждой длины волны и занести в таб­лицу.

4. Построить график зависимости относительной спектральной чувствительности  от энергии фотона .

5. Построив касательную к низкоэнергетическому склону кривой этой зависимости и продолжив ее до пересечения с осью абсцисс, определить длину волны , а затем оценить ширину запрещенной зоны полупроводника по формуле

Указать рассчитанную ширину запрещённой зоны в эВ.

Таблица 2

Результаты измерений спектральной характеристики фотоэлемента

№ п/п	Светофильтр	, нм	, эВ	А	В	мкА	, мкA/нм
1	Красный	650		53	0,97
2	Оранжевый	565		26	0,97
3	Желтый	530		10	0,96
4	Зеленый	510		4	0,38
5	Синий	450		3	0,98
6	Фиолетовый	420		1	0,80

Задание на учебно-исследовательскую работу

Снять зависимость фототока  от расстояния точечного источника от фотоэлемента , для чего линзу следует убрать. Поскольку  ~  (объяснить почему), то построив зависимость  от , по наклону прямой можно определить . Сравнить полученное значение  с результатом упражнения 1. Расстояние изменять от 0,06 м до 0,14 м.

Контрольные вопросы

1. Что такое барьер типа Шоттки?

2. При каких условиях возникает барьер типа Шоттки при контакте металла с полупроводником n-типа? р-типа?

3. Дайте определение квантового выхода.

4. Какие физические процессы определяют скорость гене­рации неравновесных носителей?

5. Что такое показатель поглощения света?

6. Какие переходы определяют собственное поглощение полупроводника?

7. Какими переходами электронов в полупроводниках определяется частотная характеристика показателя поглощения в области коротковолнового края спектральной характеристики?

8. Что такое интенсивность света?

9. Объясните почему при постоянной интенсивности света число фотонов, падающих на единицу площади фотоэлемента в единицу времени прямо пропорционально длине световой волны.

10. Что такое освещенность поверхности и как она зависит от угла падения параллельного пучка света?

11. Как зависит освещенность поверхности от угла паде­ния центрального луча и от расстояния от точечного источника?

12. При каком условии можно считать, что неравновесные носители образуются одновременно во всей области контактного поля барьера Шоттки?

13. Что такое спектральная чувствительность фотоэлемента?

14. Почему происходит уменьшение спектральной чувствительности фотоэлемента в области длинных волн? в области коротких волн?

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики/М.:Высшая школа, 2003. – С.616-623.

2. Верещагин И.К., Кокин С.М., Никитенко В.А., Селезнёв В.А., Серов Е.А. Физика твёрдого тела/М.:Высшая школа, 2001. – С.102-104, 157-164, 187-190.

3. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники/ М.:Советское радио, 1980. – С.176.

Первый вариант данной работы (1981 год) был подготовлен В.Г. Хавруняком и Л.Н. Борицкой.