Изучение основных закономерностей внутреннего фотоэффекта

Лабораторная  работа  № 19

ИЗУЧЕНИЕ  ОСНОВНЫХ  ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

ВНУТРЕННЕГО  ФОТОЭФФЕКТА

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель типа ОИ-24, полупроводниковый фотоэлемент, фотосопротивление типа ФСК-1 или ФСК-2, микроамперметр с пределом шкалы 100мкА, вольтметр ВК7-10А, набор светофильтров, соединительные провода.

Цель работы: познакомить студентов с элементами зонной теории, устройством и основными характеристиками полупроводникового фотоэлемента и фотосопротивления.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ  ОБОСНОВАНИЕ

          Все твердые тела по электропроводности делятся на проводники, полупроводники и изоляторы. Благодаря ряду уникальных свойств особый интерес представляют полупроводниковые материалы. К таким свойствам полупроводника относятся уменьшение его сопротивления с увеличением температуры, освещенности, напряженности электрического поля. Характерно, что добавление примеси в чистый металл увеличивает его удельное сопротивление, добавление же примеси в чистый полупроводник резко уменьшает его.

          К полупроводникам относятся: селен, германий, кремний, теллур, а также ряд окислов, сульфидов и карбидов.

          Свойства полупроводника можно объяснить, исходя из зонной теории твердого тела. В изолированном атоме электроны могут обладать только вполне определенными значениями энергии. Эти дозволенные значения энергии называются энергетическими уровнями. На каждом уровне может находиться не более двух электронов, различающихся направлением спиновых моментов. При образовании кристаллической решетки из отдельных атомов их энергетические уровни объединяются, образуя полосы – энергетические зоны, разделенные участками  с недозволенными значениями энергии, называемые запрещенными зонами (рис.1). Число уровней в зоне равно числу атомов в кристалле. Так как число атомов в кристалле велико (), то уровни в зоне практически распределены непрерывно. Уровни валентных электронов образуют валентную или заполненную зону 1. Выше ее, за запрещенной зоной находится зона проводимости 2 (рис.1). Она всегда свободна от электронов.

          Для того чтобы электроны могли перемещаться в зоне проводимости, необходимо в нее перевести часть электронов из валентной зоны. Это достигается путем сообщения им добавочной энергии , не меньше ширины запрещенной зоны . Если ширина запрещенной зоны  не очень велика, то дополнительная энергия может быть сообщена за счет световой энергии. При поглощении световой энергии часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и под действием электрического поля начинает в ней перемещаться, обуславливая возникновение электрического тока. В валентной же зоне на уровнях образуются свободные места, которые называются дырками.

          Дырки быстро заполняются электронами из соседних уровней. На освободившиеся места приходят электроны из более низких уровней и т.д. В результате наблюдается перемещение дырок, которое эквивалентно движению положительного заряда, равного по величине заряду электрона. Направление движения дырок совпадает с направлением движения внешнего поля. Таким образом, при сообщении добавочной энергии становится возможным перемещение электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

          Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов в зоне проводимости, называется электронной проводимостью. Дырочная проводимость обусловлена движением дырок в валентной зоне. В чистом полупроводнике одновременно существует электронная и дырочная проводимость. Их называют собственной проводимостью полупроводников.

          При введении в кристаллическую решетку полупроводника атомов примеси образуются дополнительные энергетические уровни, что ведет к изменению его электропроводности. Если заполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи зоны проводимости, то из них электроны легко могут переходить в зону проводимости, обуславливая электронную или так называемую «»-проводимость полупроводника. Такой проводник получил название -типа, а дополнительные уровни – донорных уровней. Если же незаполненные электронами уровни примеси располагаются вблизи валентной зоны, то электроны из валентной зоны легко переходят на эти уровни. В валентной зоне образуются дырки, которые обуславливают дырочную или проводимость -типа. Такой примесный полупроводник называют полупроводником -типа, а дополнительные уровни – акцепторных уровней.

          При соединении двух полупроводников с  и - проводимостью в месте контакта образуется тонкий запирающий слой толщиной –см. Этот слой обладает односторонней проводимостью. Он свободно пропускает электроны из -проводника и -проводник. Дырки беспрепятственно проходят в обратном направлении. При освещении места контакта светом сопротивление его уменьшается и электропроводность проводника увеличивается. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта. В области контакта возрастает число свободных носителей тока. Это вызовет нарушение равновесного распределения носителей тока в области контакта и возникновения фото-э.д.с. Фото-э.д.с. поддерживается действием света. Возник элемент, способный служить источником тока. На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фотосопротивлений, фотодиодов, полупроводниковых фотоэлементов, фототранзисторов.