Изучение фоторезистивного эффекта

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с фоторезистивным эффектом и определение основных характеристик фотосопротивления.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Фоторезистивным эффектом или фотопроводимостью называется увеличение электропроводимости полупроводника под действием электромагнитного излучения.

В собственном полупроводнике при температурах, отличных от абсолютного нуля, в результате теплового возбуждения возможны переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости
(рис. 1.а). При каждом переходе возникает пара свободных носителей заряда: электрон и дырка. Дыркой называется квантовое состояние, не занятое электроном, в энергетической (валентной) зоне твердого тела [1].

Наряду с появлением свободных носителей заряда протекает и обратный процесс - рекомбинация электронов и дырок, интенсивность которого растет с увеличением концентраций свободный носителей. В результате для каждой температуры полупроводника устанавливается некоторая равновесная концентрация n₀ свободных носителей заряда и полупроводник имеет некоторое электрическое сопротивление R_Т.

В примесном полупроводнике содержатся атомы примесей, имеющие энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника. Электроны могут переходить с уровней донорной примеси в зону проводимости полупроводника или из валентной зоны полупроводника на уровни акцепторной примеси (рис. 1.б). Возникают свободные носители заряда: в первом случае электроны, во втором - дырки.

При облучении полупроводника электромагнитным излучением, энергия фотонов которого больше ширины запрещенной зоны DЕ для собственного полупроводника или превышает энергию возбуждения атома примеси Е_n для примесного полупроводника, происходит фоторезистивный эффект: в результате поглощения фотонов возникают свободные носители заряда по схемам а) и б) рисунка 1. Такие носители называются неравновесными, так как через некоторое время t они рекомбинируют. При длительном облучении полупроводника с постоянной интенсивностью устанавливается новое состояние равновесия свободных носителей с концентрацией n > n₀, а электрическое сопротивление становится равным R < R_Т. Если к облучаемому полупроводнику приложить внешнее напряжение U, то разность концентраций Dn = n - n₀ определит силу тока фоторезистивного эффекта.

Полупроводниковый прибор, меняющий свое электрическое сопротивление под действием электромагнитного излучения, называется фоторезистором или фотосопротивлением (ФС). На рисунке 2 показано схематическое изображение фотосопротивления и его устройство: слой полупроводника 2 с электродами 3, нанесенный на подложку 1 (стеклянную пластинку) помещен в закрытый корпус 4 с круглым или квадратным окном. В площади окна полупроводник закрыт защитным лаковым покрытием 5.

На рис.3 представлены вольт-амперные характеристики, показывающие зависимость силы тока фотосопротивления I от приложенного к нему напряжения U при неизменной величине светового потока Ф, падающего на фотосопротивление. Если Ф = 0, то фотосопротивление пропускает небольшой ток I_Т, называемый темновым.

Линейность вольтамперных характеристик указывает на выполнение закона Ома: . Каждому световому потоку Ф соответствует определенное электрическое сопротивление R. Если
Ф = 0, то сопротивление равно R_Т и называется темновым. Величина к = R_Т/R называется кратностью изменения сопротивления и является его важной характеристикой.

Другой характеристикой является чувствительность. Интегральная чувствительность S определяется отношением рабочего фототока DI к величине светового потока Ф немонохроматического света, испускаемого стандартным источником излучения:

, (1)

где DI = I - I_Т, т.е. рабочий ток фотосопротивления равен разности тока I, протекающего через ФС при его освещении и темнового тока I_Т при световом потоке Ф = 0. Тогда

.

Так как чувстительность S растет с увеличением напряжения U, то для исключения зависимости от U применяют удельную интегральную чувствительность

. (2)

Максимальная интегральная чувствительность ФС определяется максимальной величиной допустимого напряжения на фотосопротивлении:

. (3)

Фотосопротивления нашли широкое применение в автоматике, телемеханике, в лабораторных исследованиях (например, в фотометрии), оптической спектроскопии и т.д., благодаря высокой чувствительности и надежности в работе.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема с фотосопротивлением для измерения его вольтамперных характеристик показана на рисунке 4. Перемещая подвижной контакт реостата R и наблюдая показания вольтметра V, можно подать на сопротивление ФС нужное напряжение. Максимальное напряжение U_max = 100 В. Сила тока фотосопротивления измеряется с помощью микроамперметра mА, в качестве которого применяется универсальный прибор Щ4300. Фото-сопротивление ФС и источник света О помещены в металлический кожух, изображенный на рис.4 пунктиром. Для уменьшения светового потока Ф, падающего на фотосопротивление, между фотосопротивлением и источником тока можно помещать светофильтр СФ. Без светофильтра на фотосопротивление падает световой поток Ф = (17 ± 1)×10^-4 лм, а при введенном светофильтре падающий световой поток Ф_С < Ф.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Упражнение №1. Изучение зависимости силы тока
фотосопротивления от напряжения

Включите экспериментальную установку. Включите прибор Щ4300 для работы в качестве микроамперметра на шкале до
200 mА.

При выключенном осветителе О (Ф = 0) с помощью реостата R установите на фотосопротивлении напряжение U = 20, 40, …, 100 В и измерьте микроамперметром силу темнового тока I_Т фотосопротивления. Результаты измерений занесите в таблицу. Постройте на диаграмме экспериментальные точки зависимости темнового тока I_Т от напряжения U.

Переключите прибор Щ4300 на шкалу до 2 мА. Включите осветитель О и при введенном светофильтре измерьте силу тока I_С фотосопротивления для разных значений напряжения U = 20, 40, …,
100 В. Результаты измерений занесите в таблицу.

Выведите светофильтр из кожуха и при включенном осветителе измерьте силу тока I фотосопротивления для разных показаний вольтметра U = 20, 40, …, 100 В. Результаты измерений занесите в таблицу. Постройте на диаграмме экспериментальные точки зависимости токов I_С и I от напряжения U на фотосопротивлении.

Таблица

Напряжение U (В)	Фототок I (мкА)
IТ	IС (со светофильтром)	I (без светофильтра)

Применяя метод наименьших квадратов (см. Приложение), определите электрическое сопротивление R фоторезистора для каждой зависимости тока I от напряжения U. По закону Ома напряжение U на фоторезисторе и сила тока I связаны соотношением U = RI. Откладывая по осям координат силу тока I и напряжение U, постройте на диаграмме экспериментальные точки, соответствующие результатам наблюдений таблицы 1. Для каждой зависимости силы тока I от напряжения U эти точки лежат на прямой линии вида
U = RI + C. Параметры этой прямой R и C и выборочные оценки их стандартных отклонений определяются по формулам метода наименьших квадратов:

, ,

,

, ,

где n - число точек наблюдения; - среднее арифметическое n результатов наблюдений величины х.

Полуширину доверительного интервала DR определите по формуле: ,

где - коэффициент Стьюдента (см. Приложение), Р - доверительная вероятность, . Результат измерения R запишите в виде R ± DR.

Используя найденные значения R и C, проведите на диаграмме вольтамперные характеристики фоторезистора для каждой зависимости тока I от напряжения U.

Упражнение №2. Определение основных характеристик
фотосопротивления

Найдите кратность измерения сопротивления без светофильтра и со светофильтром. Полуширину доверительного интервала Dk для каждого случая определите по формуле

.

Результат измерения запишите в виде доверительного интервала:
k ± Dk.

Определите максимальную интегральную чувствительность S_max фотосопротивления по формуле (3), используя значение R, полученное без светофильтра. Полуширину доверительного интервала DS_max найдите по формуле:

.

Результат измерения запишите в виде S_max ± D S_max.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Сформулируйте цель лабораторной работы.

Какое явление называется фоторезистивным эффектом?

Укажите носителей заряда в беспримесном полупроводнике.

Укажите носителей заряда в полупроводнике с акцепторной примесью?

В каком полупроводнике в качестве носителей заряда преобладают электроны?

Укажите схематическое изображение фоторезистора.

Какова конструкция фотосопротивления?

Нарисуйте вольт-амперные характеристики фотосопротивления.

Зависит ли величина фотосопротивления от падения напряжения на нем?

Что такое темновой ток?

Какая величина называется кратностью изменения сопротивления фоторезистора?

Дайте определение интегральной чувствительности фоторезистора.

Какая величина называется удельной интегральной чувствительностью фоторезистора?

Дайте определение максимальной интегральной чувствительности фотосопротивления.

Укажите области применения фоторезисторов.

Нарисуйте принципиальную схему экспериментальной установки данной работы.

Какие измерения проводят при выполнении упражнения № 1?

Какую величину измеряют с помощью микроамперметра в данной лабораторной работе?

Какова роль вольтметра в экспериментальной установке?

Какова роль реостата R в данной лабораторной работе?

С какой целью применяется метод наименьших квадратов при обработке результатов эксперимента?

Как находят электрическое сопротивление фоторезистора?

Какие электрические сопротивления фоторезистора определяют в данной лабораторной работе?

Какова роль светофильтра в экспериментальной установке?

Как вычисляют полуширину доверительного интервала электрического сопротивления?

Какие величины определяют в упражнении № 2?

Как вычислить кратность изменения электрического сопротивления?

По какой формуле можно вычислить полуширину доверительного интервала кратности изменения электрического сопротивления фоторезистора?

Как определить максимальную интегральную чувствительность фоторезистора?

По какой формуле можно найти полуширину доверительного интервала максимальной интегральной чувствительности фоторезистора?

* Подобная оговорка имеет четкий физический смысл. Фотоэлемент по-разному чувствителен к различным спектральным участкам, а распределение энергии источника зависит от его температуры. Все это приводит к тому, что световые потоки, одинаковые по величине, но полученные от источников с различными температурами, вызывают в цепи фотоэлемента разные токи.

* В данной лабораторной работе применяется вакуумный фотоэлемент
СЦВ-3.

* Рекомендуемое положение рейтера с осветителем указано на установке.

** Рекомендуемые расстояния (r₁, r₂, r₃) между осветителем и фотоэлементом указаны на установке.

Дата добавления: 2015-06-04