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

14617. Исследование системы автоматической регулировки усиления 263 KB
  ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к лабораторной работе Исследование системы автоматической регулировки усиления Цель работы: изучение и исследование системы АРУ при различных параметрах структурной схемы. Краткие теоретические сведения Рисунок 1 Обобщённая структурн...
14618. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПРИЕМНИКОВ ЗВЕЗДОЙ 67.77 KB
  Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПРИЕМНИКОВ ЗВЕЗДОЙ. Цель работы: Исследование режимов работы трехфазной цепи при соединении нагрузки звездой. Симметричный и несимметричный режимы. Влияние нейтрального провода. ПОРЯДОК В
14620. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ РЕЗЕРВНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 107 KB
  Отчет по лабораторному практикуму Автоматическое включение резервного источника питания Цель работы Работа предназначена для практического ознакомления с принципом выполнения схемы автоматического включения резервного источника питания АВР. Исход
14621. Усталостные испытания 2.57 MB
  Усталостные испытания Методические указания к лабораторным практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей Усталостные испытания: Методические указания к лабор
14622. Решение обратной задачи кинематики трехзвенного манипулятора 96 KB
  Лабораторная работа №5: Вариант 1 Решение обратной задачи кинематики трехзвенного манипулятора. Цель работы: изучение алгоритмов решения обратной задачи кинематики. Решение ПЗП для трехзвенного манипулятора с вращательными парами: Дано: ...
14623. Решение обратной задачи кинематики двухзвенного манипулятора 176.5 KB
  Лабораторная работа №4: Вариант 2 Решение обратной задачи кинематики двухзвенного манипулятора. Цель работы: изучение алгоритмов решения обратной задачи кинематики Решение ПЗП для двухзвенного манипулятора с вращательными парами: Дано: Получим р...
14624. Решение прямой задачи кинематики манипулятора 294 KB
  Лабораторная работа №3: Вариант 1 Решение прямой задачи кинематики манипулятора. Цель работы: решение прямой задачи о положении манипуляционной системы на ЭВМ на основе формализованного описания кинематических цепей Геометрические характеристики звеньев: ...
14625. Изучение метода преобразования систем координат промышленных роботов и кодирования кинематических цепей «иркутским методом» на примере робота МП-9С (Ритм -01-02) 196.5 KB
  Лабораторная работа №2: Вариант 1 Изучение метода преобразования систем координат промышленных роботов и кодирования кинематических цепей иркутским методом на примере робота МП9С Ритм 0102 . ЦЕЛЬ РАБОТЫ: выбор абсолютной и связанных систем координат ПР;