Цель работы: изучение явления вентильного фотоэффекта, построение световой характеристики и определение интегральной чувствительности фотодиода с запирающим слоем.
Приборы и оборудование:
1. селеновый фотоэлемент;
2. Источник тока ВС 4-12 (на 4 В);
3. Лампа накаливания (6,3 В);
4. Микроамперметр М 906 ( на 100 mА);
5. Ключ.
Теория
Вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы (фото-э.д.с.) на границе между металлом и полупроводником или между полупроводниками с различным типом проводимости.
Наибольшее практическое значение имеет вентильный фотоэффект, возникающий при освещении p-n- перехода. Такой переход возникает в области кристаллического полупроводника, где меняется тип легирующей примеси (с акцепторной на донорную) и связанный с этим тип проводимости (с дырочной на электронную).
Пусть внутренней границей раздела двух областей полупроводника с различными типами проводимости является плоскость AB (рисунок 1, а). Слева от нее находится полупроводник n-типа, справа – полупроводник p-типа. Для n-области основными носителями являются электроны, для p-области дырки.
Рис.1
Различие в концентрации однотипных носителей в контактирующих областях полупроводника приводит к возникновению диффузных потоков электронов из n-области в p-область и диффузного потока дырок из p- области в n –область. При этом область с электронным типом проводимости заряжается положительно, а с дырочным – отрицательно (рисунок 1, б).
Таким образом, уход электронов из приконтактного слоя n-области приводит к возникновению в этом слое неподвижного положительного объемного заряда ионизированных атомов донорной примеси; обозначим толщину этого слоя через dn. Уход дырок из приконтактного слоя p-области вызовет появление в этом слое неподвижного отрицательного объемного заряда, локализованного на атомах акцепторной примеси; обозначим толщину этого слоя через dp.(рисунок 1, а). В приконтактной области образуется так называемый запирающий слой толщиной d=dp+dn, обедненный основными носителями тока: электронами в n-области, дырками – в р-области. На контакте областей электронного и дырочного типов возникает контактная разность потенциалов φк, создающая в p-n-переходе потенциальный барьер еφк, препятствующий дальнейшему переходу основных носителей.
При освещении p-n-перехода и прилегающих к нему областей в полупроводниках наблюдается внутренний фотоэффект, то есть образуются электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля р-n-перехода образовавшиеся заряды разделяются: основные носители задерживаются контактным полем в своей области, неосновные–ускоряются и свободно проходят через р-n-переход. Этот процесс приводит к накоплению добавочных отрицательных зарядов в n- полупроводнике и положительных зарядов в p -полупроводнике.
Если цепь разомкнута, то на границах р-n-перехода накапливается объемный заряд, препятствующий движению неосновных носителей. Создаётся добавочная разность потенциалов φф(фотоэлектродвижущая сила). Полярность φф обратна полярности контактной разности потенциалов на неосвещенном р- n-переходе φк. Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается на величину е φф..
Это в свою очередь вызывает появление так называемого тока утечки Jу, текущего в прямом направлении. Величина фото-э.д.с. растет до тех пор пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.
Если включить такой p-n- переход в замкнутую электрическую цепь, то в этой цепи под действием света возникнет электрический ток, который называется фототоком Jf. Возникающий в цепи фототок зависит от падающего светового потока, сопротивления цепи и свойств фотоэлемента. Зависимость фототока Jf от светового потока Ф называется световой характеристикой фотоэлемента. Обычно световая характеристика строится в виде графика Jf(Ф) в режиме короткого замыкания, т.е. при сопротивлении внешнего участка цепи R=0.
Световой поток можно определить как :
, (1)
где E - освещенность фотоэлемента, а S - его площадь. Так как мы используем точечный источник света и луч света перпендикулярен к поверхности фотоэлемента, то:
, (2)
Здесь I - сила света источника, r - расстояние от источника света до фотоэлемента.
Тогда:
(3)
Важной характеристикой фотоэлемента является его чувствительность. Интегральной чувствительностью К называется отношение фототока к падающему на фотоэлемент световому потоку Ф:
(4)
Обычно чувствительность измеряется в микроамперах на люмен. Учитывая (3), получим:
(5)
Значение К должно быть для определённого диапазона величин световых потоков практически постоянным.
Описание установки
Основные детали конструкции фотодиода с запирающим слоем показаны на рисунке 2. Нижний электрод (1), представляет собой прочную металлическую пластину. На него наносится полупроводник (2). Затем нижний электрод с нанесенным на него полупроводниковым слоем подвергается соответствующей обработке. Цель этой обработки заключается в создании в толще полупроводника p-n-перехода (3), играющего основную роль в осуществлении фотоэлектрических процессов. На наружную поверхность полупроводникового слоя наносится верхний металлический электрод (4), представляющий собой настолько тонкий слой металла, что он обладает способностью пропускать свет.
Для предохранения фоточувствительной поверхности фотоэлемента от вредного влияния окружающей среды, она покрывается пленкой прозрачного лака и помещается в пластмассовую оправу (5) с окошком для света.
Схема лабораторной установки представлена на рисунке 3.
, (1)
, (2)
(3)
(4)
(5)
