36905

Изучение физических явлений, лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем, определение зависимости фототока от освещенности, снятие ширины запрещенной зоны полупроводника

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: Изучение физических явлений лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем определение зависимости фототока от освещенности снятие ширины запрещенной зоны полупроводника. На рисунке выше Ес – энергия дна свободной зоны Ев – энергия потолка валентной зоны; Fм Fп – уровни Ферми металла и полупроводника Ам Ап – работы выхода электрона из металла и полупроводника. Если уровень Ферми изолированного металла Fм лежит выше уровня Ферми полупроводника Fп – т. Ам Ап то в первый момент их...

Русский

2013-09-23

713 KB

10 чел.

PAGE  2

Московский государственный университет

путей сообщения РФ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

Институт, группа ИУИТ, УИС-111                         К работе допущен____________________

        (Дата, подпись преподавателя)

Студент Дмитриева Е. В.                                          Работа выполнена___________________

 (ФИО студента)      (Дата, подпись преподавателя)

Преподаватель Шульмейстер А. М.                     Отчёт принят_______________________          (Дата, подпись преподавателя)

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №45

Изучение внутреннего фотоэлектрического

эффекта в запирающем слое.

  1.  Цель работы:

Изучение физических явлений, лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем, определение зависимости фототока от освещенности, снятие ширины запрещенной зоны полупроводника.

              2. Принципиальная схема установки (или её главных узлов):

ФЭ – фотоэлемент;

Ф – светофильтры;

Л – собирающая линза;

ЛН – лампочка накаливания;

3. Основные теоретические положения к данной работе (основополагающие утверждения: формулы, схематические рисунки):

Основу большинства фотоприемников, используемых в современных оптоэлектронных приборах, составляют диодные структуры. Их основное достоинство – простота устройства, что позволяет достигнуть оптимального сочетания физических и конструктивных параметров прибора и удобства в освоении новых материалов. Поскольку при  решении последней задачи, если не  всегда удается получить не только транзистор с удовлетворительными характеристиками, но и просто р-п переход, то предпочтение отдается барьеру, возникающему при контакте металла с полупроводником (барьеру типа Шоттки). Изготовление барьера Шоттки основано на приемах стандартной технологии, причем особенно важно, что большинство способов изготовления  контактов металл – полупроводник являются низкотемпературными.

Барьер типа Шоттки.

Это потенциальный барьер образуется при контакте металла с полупроводником, в частности, золота с селеном.

 

Допустим, что между металлом и дырочным полупроводником создан надежный контакт. На рисунке выше Ес – энергия «дна» свободной зоны, Ев – энергия «потолка» валентной зоны; Fм, Fп – уровни Ферми металла и полупроводника, Ам, Ап – работы выхода электрона из металла и полупроводника.

Если уровень Ферми изолированного металла Fм лежит выше уровня Ферми полупроводника Fп, – т. е. Ам<Ап, то в первый момент их соприкосновения потоков электронов из металла превышает поток электронов из полупроводника.

Металл заряжается положительно, а полупроводник отрицательно, и возникшее между контактирующими образцами электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из металла в полупроводник. Процесс идет до тех пор, пока уровни Ферми с обеих сторон не совпадут, и не установится динамическое равновесие. Контактная разность потенциалов (φк), возникшая между металлом и полупроводником, определяется из разности работ выхода

(1)

И практически полностью падает в приконтактной области полупроводника. Напряженность электрического поля в приповерхностном слое полупроводника, вызванного контактной разностью потенциалов, искривит его зоны энергии относительно уровня Ферми книзу. Поэтому вблизи контакта число электронов в свободной зоне увеличивается, а число дырок в валентной зоне убывает. Это означает, что в дырочном полупроводнике возникает запирающий слой.

Принцип действия фотоэлемента с запирающим слоем.

В настоящей установке используется вентильный режим работы фотоэлемента, т. е. без внешнего источника напряжения. Полупроводник заряжается положительно относительно металла, что эквивалентно образованию дополнительного напряжения. Это напряжение называется фотоэдс. В работе измеряется фототок в цепи, нагрузочным сопротивлением которой служит сопротивление гальванометра.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках происходит поглощение фотона с энергией, достаточной для перехода электрона из валентной зоны в свободную зону, что приводит к образованию пары электрон-дырка. Число электронно-дырочных пар, генерируемых в единичном объеме полупроводника за одну секунду фотона с энергией h по определению есть скорость генерации G. Получим выражение для скорости генерации:

Интенсивность монохроматического света I на глубине х связана с интенсивностью на поверхности полупроводника I0 так

(2)

где  α – линейный показатель поглощения света. Количество световой энергии, поглощаемой за 1 с в слое единичной площади толщиной dx определяется как

      (3)

Энергия, поглощаемая в единичном объеме за 1 с тогда равна

(4)

Число поглощения квантов в единичном объеме за 1 с определяется отношением

Число β электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, называется квантовым выходом. Тогда скорость генерации G на расстоянии от поверхности полупроводника может быть выражена как

     (5)

Из этого выражения видно, что G наиболее сильно зависит от , а так как  зависит от энергии квантов падающего излучения, то скорость генерации различна для разных длин волн последнего.

Влияние освещенности на величину фототока фотоэлемента.

Освещенностью Е плоской поверхности называется отношение светового потока Ф, нормально падающего на эту поверхность, к ее площади S:

                                                                           (6)

4. Таблицы и графики

Таблица 1::

Результаты измерений фототока при различных    освещенностях фотоэлемента.

 

ε,

град

cos

 ε

Iф, мкА

Iфер,

мкА

Lg(Iфер)

Lg(cos ε)

1

2

3

4

5

0

1

8,9

6,7

7,4

5,6

5,9

6,9

0,84

-

10

0,98

9,2

6,8

8,1

6

6,3

7,28

0,86

-0,0088

20

0,94

9,3

7,1

8,5

6,1

6,4

7,48

0,87

-0,0269

30

0,87

9,6

7,4

8,6

6,1

6,5

7,64

0,88

-0,06

40

0,77

9,7

7,6

8,6

6,2

6,6

7,74

0,89

-0,113

50

0,64

10,2

7,7

8,8

6,3

6,7

7,94

9

-0,194

60

0,5

10,5

7,8

8,9

6,5

6,8

8,1

0,908

-0,301

70

0,34

10,8

7,8

8,9

6,6

6,8

8,18

0,913

-0,469

80

0,17

11,1

7,9

9

6,7

7,3

8,4

0,924

-0,77

90

0

11,4

8

9,1

6,8

7,3

8,52

0,93

-

Таблица 2:

       Результаты измерений спектральной характеристики фотоэлемента.

 

Светофильтр

λ,

нм

,

эВ

А

В

Iфо,

мкА

Iфо/АВ λ,

мкА/нм

,

1

Красный

650

4,9*10-38

53

0,97

1,3

3,9*10-5

1

2

Оранжевый

565

5,6*10-38

26

0,97

1,5

10-4

2,6

3

Желтый

530

6*10-38

10

0,96

1,7

3,3*10-4

8,5

4

Зеленый

510

6,2*10-38

4

0,38

1,9

2,5*10-3

64,1

5

Синий

450

7*10-38

3

0,96

2,1

1,6*10-3

41

5

Фиолетовый

380

8,4*10-38

1

0,8

2,3

7,6*10-3

194,9

График зависимости относительной спектральной величины  от энергии фотона .

5. Расчёт погрешностей измерений 

(указать метод расчёта погрешностей).

1. Построив касательную к низко-энергетическому склону кривой зависимости и продолжив ее до пересечения с осью Ох, определим длину волны λгр:

(Эв)

(Дж)

(м)

2.   Оценим ширину запрещенной зоны полупроводника по формуле:

эВ

6. Окончательные результаты:

 эВ

Подпись студента:


EMBED Excel.Chart.8 \s


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41498. ОПЕРАТИВНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ И РУКОВОДСТВО РАБОТОЙ СТАНЦИИ 232 KB
  Оперативное планирование работы станции. Автоматизация текущего планирования работы станции АСТП. Оперативное руководство работой станции 1. План работы смены вступающий на дежурного во второй половине суток, оставляют с учетом итогов работы первой смены и обеспечения выполнения всего суточного плана.
41499. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ СТАНЦИЙ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ И РАБОТЕ СТАНЦИЙ 162.5 KB
  К раздельным пунктам относятся: станции разъезды обгонные пункты путевые посты а при автоблокировке и проходные светофоры. Коммерческие операции: прием взвешивание хранение и выдача грузов; оформление перевозочных документов взимание провозных платежей; пломбирование вагонов; обеспечение сохранности грузов находящихся на станции; осмотр прибывающих и отправляющих составов в коммерческом отношении. В зависимости от основного назначения и характера работы станции делятся на промежуточные участковые сортировочные грузовые и...
41500. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ РАБОТОЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 123 KB
  Основные принципы организации движения. Железнодорожный транспорт занимает ведущее место среди всех видов транспорта автомобильный воздушный речной морской трубопроводный это определяется следующими положениями: 1 железнодорожный транспорт работает непрерывно в течении года и суток осуществляя массовую перевозку народнохозяйственных грузов пассажиров; 2железнодорожный транспорт участвует в различных фазах производственного процесса: в начальной если перевозят сырьё исходные материалы; в средней если перевозят комплектующее...
41502. РАБОТА СТАНЦИИ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ 49.5 KB
  Ремонт оборудования сортировочных горок устройств СЦБ и связи и наружного освещения на горках капитальный ремонт замедлителей воздухопроводной сети компрессорного оборудования в устройствах СЦБ – ремонт стрелочных переводов гарнитуры; в устройствах связи – громкоговорящей связи в первую очередь пополнение количества динамиков; выправка профилей сортировочных горок вытяжек и сортировочных путей; эти работы являются очень ответственными трудоемкими и поэтому на практике не редко не производятся это приводит к замедлению темпа...
41503. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ, УЧЕТ И АНАЛИЗ РАБОТ СТАНЦИИ 236.5 KB
  Основные показатели работы станции. Учет работы станции формы учета и отчетности. Анализ работы станции.
41504. Провозная и пропускная способность железных дорог 37.5 KB
  Провозная способность прямо пропорциональна пропускной способности участка и массе составов поездов а также существенно зависит от конструктивных схем и параметров вагонов. Провозная способность увеличивается с понижением коэффициента тары вагонов улучшением использования их грузоподъемности. Расчеты ВНИИЖТа показывают что массовое применение восьмиосных полувагонов и цистерн габаритов Тпр и Тц позволяет увеличить провозную способность железных дорог на 18 .
41505. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ТРАНЗИТНЫХ ВАГОНОВ С ПЕРЕРАБОТКОЙ. РАБОТА ПАРКА ПРИЁМА 206.5 KB
  Телетайпы устанавливаются в ИЦ станции расположенным обычно рядом с СТЦ. Таким образом до прибытия поезда СТЦ получает точную информацию о составе поезда в виде ТГНЛ в которой в порядке размещения в составе содержатся основные сведения о вагонах: его номер вес груза и наименование станция назначения получатель особые отметки. Оператор СТЦ различает полученную телеграмму натурку в соответствии с планом формирования поездов данной станции. Станция обычно получает 3 экземпляра натурки после разметки один экземпляр передается сначала...
41506. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ ПАРКОВ ОТПРАВЛЕНИЯ 144.5 KB
  На сортировочной станции А производится смена поездных локомотивов у всех поездов как транзитных так и прибывших в расформирование. На сортировочной станции Б четные и нечетные поезда отправляются с локомотивами депо 1; у транзитных поездов смена локомотивов не производится только смена бригад. Могут быть любые другие сочетания участков обращения локомотивов с участками работы локомотивных бригад. В зависимости от схемы обслуживания поездов поездными локомотивами и локомотивными бригадами на сортировочных станциях с локомотивами могут...