Міністерство освіті і науки України ВДТУ Кафедра Фізики Лабораторна робота № 8 - 3 Тема: Вивчення фотоелектричних явищ в напівпровідниках та характеристик напівпровідникового фотоелемента. Мета роботи: вивчити закони внутрішнього фотоефекту на прикладі одержання вольт-амперної і світлової характеристик напівпровідникового фото опору та знаходження його питомої чутливості. Теоретичні відомості Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник з шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграми якого показана на рис1. Тут Ev – верхній енергетичний рівень заповненої зони, Eв – нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності, Ef – рівень Фермі. Очевидно, що Eg = Eв - Ev. При Т = 0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а в валентній зоні – така ж кількість дірок. Нехай на зразок падає світло частою V. Оскільки рекомбінація визначає собою суттєві риси фотопровідності, слід врахувати два найважливіші з них: 1. пряма рекомбінація або рекомбінація зона – зона, при якій з’єднання електрона з дирок відбувається завдяки переходові електрона із зони провідності в пустий стан валентної зони. При цьому надлишок енергії електрон розсіює, здебільшого випромінюючи фотон; 2. рекомбінація за участю домішок і дефектів. У цьому випадку вільні електрони рекомбінують з зв’язаними дірками на домішках і дефектах, а вільні дірки – з зв’язаними електронами. Порядок виконання роботи Завдання 1. Зняття вольт – амперної характеристики, того залежності сили фотоструму I( від напруги U. Ввімкнути установку в міську мережу. Встановити віддаль R джерела світла від фото опору 10 – 15 см. Змінюючи напругу від нуля до максимального значення, через кожні 10 В фіксувати значення струму I(. Дослід повторити для R = 25 – 30 см. Всі дані вимірювань занести в таблицю. Завдання 2. Знаття світлової характеристики, тобто залежності сили фотоструму від величини освітленості фото опору. Встановити постійну напругу 80 В. Змінюючи віддаль R від максимального до мінімального значення, через кожні 5 см фіксувати величину фотоструму. Дослід повторити для U = 150 В. Всі дані вимірювання занести в таблицю. Завдання 3. Визначення питомої чутливості фото опору, тобто величини сили фотоструму при одиничних значення напруги та світлового потоку Ф.
(1) Виховуючи, що світловий потік Ф, який падає на поверхню площею S, може бути знайдений через величину освітленості Е цієї поверхні за формулою:
(2) а освітленість визначається через силу світла І джерела співвідношенням:
(3) з формули (1) одержимо остаточний вираз для розрахунок питомої чутливості фото опору:
(4) Обробка результатів експерименту та їх аналіз 1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність І( = f(U) для різних R на одному графіку. Незалежну змінну U відкладати вздовж горизонтальної осі. 2. За формулою (3) обчислити освітленість відповідно всім значенням R таблиці завдання 2, взявши силу світла лампочки І рівною 1,8 кандели. 3. За даними таблиці завдання 2 побудувати залежність І( = f(E). Незалежну змінну Е відкладати вздовж горизонтальної осі. 4. За формулою (4) для певного значення R вирахувати не менше трьох разів К0 при різних U і відповідних їх І(. Знайти абсолютну та відносну похибки. 5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.
м2
l U 10 В 20 В 30 В 40 В 50 В 60 В 70 В  10 см Іф 0,1мА 0,18мА 0,28мА 0,36мА 0,42мА 0,56мА 0,66мА  30 см Іф 0,01мА 0,03мА 0,04мА 0,06мА 0,08мА 0,1мА 0,12мА   U1 = 80 В світлова характеристика l 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65  I(мА) 0,7 0,42 0,29 0,18 0,12 0,1 0,08 0,065 0,06 0,05 0,045 0,04   U2 = 120 В l 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65  I(мА) 1,18 0,63 0,46 0,31 0,22 0,16 0,14 0,11 0,09 0,08 0,06 0,045   Контрольні запитання. 1. Явища зовнішнього та внутрішнього фотоефекту. 2. Пояснити фотоелектричні явища в напівпровідниках з точки зору зонної теорії. 3. Назвати і обґрунтувати позитивні та негативні сторони фото опорів. Навести приклади їх застосування.