• 5

Работа 87. ИССЛЕДОВАНИЕ СОБСТВЕННОЙ И ПРИМЕСНОЙ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Принадлежности: оптический универсальный мопохроматор УМ-2, усилитель постоянного тока У1-2, образец полупроводника.

Полупроводниками называются вещества, у которых шири­на запрещенной зоны составляет не более 2 -г- 3 эВ. Важной осо­бенностью полупроводников является способность увеличивать

Зона проводимости

Cii-

-Донорный уровень

— у- —Акцепторный уровень

            'V        

уушуууу/ууушууууууууууууууу

Заполненная зона (валентная)

Рис. 293. Типы переходов, приводящих к появлению фотопроводимости полупроводника.

электропроводность под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости.

Непосредственным результатом поглощения света в полупро- воднике является увеличение числа свободных носителей тока. Три типа переходов приводят к появлению фотопроводимости (рис. 293).

При переходах первого типа электроны из заполненной зоны при поглощении фотона переводятся в зону проводимости. В ре­зультате этих переходов образуются свободные электроны и сво­бодные дырки. Возникшая при таких переходах фотопроводимость называется собственной.

Переходы второго типа возникают при поглощении фотона ато­мом донорной примеси кристалла; при этом образуются свободные электроны и свободные места на донорных атомах.

Переходы третьего типа возникают, когда при поглощении света электроны переводятся из заполненной зоны на незанятые акцеп­торные уровни.

В результате этого процесса образуются свободные дырки и электроны, связанные с акцепторными атомами. Фотопрово­димость, возникающая в результате двух последних процессов, называется примесной.

Некоторое количество носителей тока присутствует в полупро­водниках и при отсутствии света. Часть электронов переводится из заполненной зоны (и с донорных уровней) в зону проводимости (и на акцепторные уровни) в результате теплового движения. Количество таких носителей — и вместе с ним электропроводность кристалла — определяется температурой кристалла и быстро увеличивается при нагревании. В этом случае говорят о равновесных носите­лях тока и о тем новой электропроводности кристалла. Коли­чество носителей тока равно равновесному не только в полной тем­ноте, но и в тех случаях, когда энергия фотонов недостаточно велика для того, чтобы вызвать электронные переходы в кристалле. Фото­проводимость появляется лишь в том случае, если частота света не слишком мала. Пороговая частота, при которой начинается фото­проводимость, называется красной границей фотоэффекта.

В отличие от тепловой световая энергия запасается в основном электронами полупроводника и практически не изменяет температуру кристаллической решетки. Поэтому в присутствии света тепловое равновесие между электронами и решеткой нарушается. Носители тока, возникшие в результате оптической ионизации, именуются неравновесными.

После того как освещение кристалла прекращается, равновесие между электронами и решеткой восстанавливается. В обычных условиях энергия, запасенная неравновесными носителями тока, ничтожно мала по сравнению с тепловой энергией кристаллической решетки. Процесс установления теплового равновесия между решет­кой и электронами сводится к тому, что неравновесные электроны и дырки рекомбинируют друг с другом, а температура кристалла практически не меняется. Не изменится, следовательно, и концен­

трация равновесных носителей. Таким образом, можно считать, что включение и выключение света изменяет концентрацию неравновес­ных носителей и не влияет на концентрацию равновесных носи­телей тока.

Измерение величины фототока может быть проведено по схеме, изображенной на рис. 294.

Образец, изготовленный в виде пленки, включен в цепь, содер­жащую источник э. д. с. и гальванометр. При освещении образца ток, измеренный гальванометром, возрастает. Подобного рода простые схемы пригодны для измерения только в том случае, когда фототок превосходит темповой ток или, в худшем случае, одного

с ним порядка. Если это не так, приходится усложнять экспери­ментальную установку. Чаще всего при этом световой поток моду­лируется по амплитуде. Связанную со светом переменную составля­ющую полного потока нетрудно выделить на фоне даже очень боль­шого темнового постоянного по величине тока.

Зависимость величины фототока от частоты падающего света (спектральная зависимость фототока) изображается кривой слож­ного вида и определяется рядом причин. Характерной особенностью этих кривых является наличие красной границы — резкого обрыва кривой со стороны низких частот. Положение красной границы определяет наименьшую энергию фотонов, при которой может про­исходить образование носителей. Вид кривой вправо от красной границы (в сторону увеличения частот) может быть различным. После резкого подъема кривая фототока может быстро спадать (как у образца CdS), а может выходить на широкое плато (как, например, у образца селена). Перед основным подъемом, соответст­вующем энергии, при которой происходит возбуждение электро­нов из заполненной зоны в зону проводимости, могут быть видны небольшие, дополнительные максимумы. Эти максимумы связаны с примесными уровнями (переходы второго и третьего типа на рис. 293). Как видно из рис. 293, энергия этих переходов меньше энергии, необходимой для перехода из заполненной зоны в зону проводимости, так что их красная граница находится слева от крас­ной границы собственного перехода.

 

Образец

L          |,|ф.     —<£>

Рис. 294. Схема измерения фотогока.

Соотношение величины подъемов кривой фоготока на собствен­ных и на примесных переходах зависит от концентрации примесей и от температуры. В чистых полупроводниках концентрация приме­сей очень мала. Кроме того, фотонное возбуждение примеси приво­дит к появлению всего одного носителя тока — электрона или дыр­ки, в то время как при собственной проводимости поглощение каж­дого фотона сопровождается возникновением электрона и дырки одновременно.

С повышением температуры примесная фотопроводимость умень­шается быстрее, чем собственная. Может случиться, что уже при комнатной температуре большая часть примеспых атомов терми­

чески ионизована, и оставшаяся часть дает незначительный вклад в фотопроводимость. Поэтому примесная фотопроводимость может оказаться значительно меньше собственной фотопрово­димости.

В предлагаемой работе положение примесных уровней и ширина запрещенной зоны полупроводника определяются по энергиям, при которых начинаются подъемы кривой фототока. Такой способ определения не отличается точностью, но полученные с его помощью результаты достаточно надежны.

Опыты проводятся на полупроводящих пленках или тонких пластинках монокристаллов CdS и CdSe с примесью ионов меди или без примеси. В отличие от большинства полупроводников, ширина запрещенной зоны у этих полупроводников сравнительно велика

УМ-2 Л,

л

 

гп ?

У1-2

Рис. 295. Схема установки для исследования спект­ральной зависимости фототока.

(более 1,5 эВ). Акцепторный уровень, обусловленный ионами меди, лежит на большом удалении как от заполненной зоны, так и от зоны проводимости. В этих условиях красная граница примесной фото­проводимости лежит в области видимого света, в то время как у большинства других полупроводников она расположена в инфракрасной области. Малый темновой ток и большой световой выход позволяют проводить опыты без модуляции светового потока.

Описание установки. Схема экспериментальной установки изоб­ражена на рис. 295. Свет от источника И с помощью линзы Л фоку­сируется на входную щель монохроматора УМ-2. Эта щель нахо­дится в фокусе коллиматорной линзы JIX. Параллельный пучок лучей, выходящий из Лъ разлагается в спектр призмой /7. Выход­ная щель находится в фокальной плоскости окулярной линзы Л2 и вырезает из спектра нужную область. Прошедший сквозь выход­ную щель свет падает на ячейку с исследуемым образцом, обозна­ченную на рисунке буквой Я- Последовательно с образцом вклю­чена семидесятивольтовая батарея, служащая источником э. д. с. Усилитель У1-2 служит для измерения тока, проходящего че­рез образец.

Спектральное распределение потока фотонов на выходе моно­хроматора и градуировочная кривая монохромотора приведены на графиках, приложенных к работе.

Измерения. 1. В начале работы включите усилитель У1-2 в сеть переменного тока.

Следует помнить, что пользоваться усилителем для измерений можно только после получасового прогрева, так как до этого дрейф нуля усилителя оказывается слишкбм велик. Включите усилитель в режим измерения тока.

2. Проверьте градуировку монохроматора. Проверкао прово­дится по желтому дублету ртутной лампы (^ = 5770 А, К2 = = 5790 А) и желтой линии неоновой лампы (к3 = 5852 А).

Проверка производится в следующем порядке:

а)         отодвиньте выносной блок усилителя от выходной щели монохроматора;

б)         выньте выходную щель монохроматора и вставьте вместо нее окуляр;

в)         включите ртутную лампу и сфокусируйте ее лучи с помощью линзы на входную щель монохроматора. Наилучшие условия для измерений создаются в том случае, когда оптическая система моно­хроматора полностью заполнена светом. Это осуществляется при выполнении соотношения DA : Ь = DAl : F, где DA — диаметр линзы, b — ее расстояние от входной щели монохроматора, DaX и F — диа­метр и фокусное расстояние объектива. Приведенное соотношение поясняется рис. 296.

Для монохроматора УМ-2 входное отверстие DAl : F = 1/6.

г)         настройте монохроматор на желтый дублет и сравните показа­ния барабана с градуировочной кривой, которая прилагается к ра­боте;

д)         выключите ртутную лампу и включите неоновую лампу, сфокусируйте ее лучи на входную щель монохроматора;

е)         настройте монохроматор на желтую линию (к3 = 5852 А) и сравните отсчет барабана с градуировочной кривой;

ж) в случае несовпадения отсчетов барабана с градуировочной кривой сместите лимб со шкалой на барабане так, чтобы добиться совпадения.

3.         Включите лампу накаливания и сфокусируйте ее нить на входную щель монохроматора. Проследите за тем, чтобы монохро­матор был заполнен светом (см. п. 2, в).

4.         Выньте окуляр и вставьте вместо него выходную щель.

5.         Ширину входной и выходной щелей монохроматора устано­вите равной 0,04 мм. Такая ширина щелей обеспечивает освещение образца и достаточную величину фототока.

6.         Пододвиньте выносной блок усилителя с подключенным к нему образцом к выходной щели монохроматора.

7.         Измерьте темновой ток образца.

8.         Снимите зависимость фототока от длины волны возбуждающего света. Каждое измерение величины тока необходимо производить после четырехминутиой выдержки. При измерении следует си­стематически «проверять нуль» усилителя. Длина волны опре­деляется по градуировочной кривой. Величина фототока определя­ется путем вычитания темпового тока из показаний прибора.

9.         Постройте кривую спектральной зависимости фототока для исследуемого образца. Для этого необходимо пересчитать фототок на постоянный поток фотонов. При пересчете следует использовать прилагаемый к работе график спектрального распределения потока фотонов на выходе монохроматора.

10.       По полученной спектральной зависимости фототока опре­делите энергию ионизации примесного уровня и ширину запрещен­ной зоны исследуемого полупроводника. Тип полупроводника указан на ячейке, в которой смонтирован образец. В качестве крас­ной границы следует использовать энергию фотонов, измеряемую на середине соответствующего подъема в кривой фототока.

 

Рис. 296. Выбор условий с наилучшей освещенностью.

Контрольные вопросы

1.         Почему фотосопротивления изготовляются из тонких полупроводниковых пленок, пропускающих сквозь себя заметную часть падающего света?

2.         Почему на кривой фототока видны один или два, а не три поднимающихся участка (переход из заполненной зоны в зону проводимости, переход из валент­ной зоны на примесный уровень, переход с примесного уровня в зону проводи­мости)?

3.         Почему после освещения полупроводника фототок устанавливается спустя некоторое время?

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я