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

11430. ЗАКОН ОМА В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 329.5 KB
  Лабораторная работа №18 Часть I ЗАКОН ОМА В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЦЕЛЬ: 1. Овладеть методикой измерения L и С убедиться в выполнимости закона Ома для цепи переменного тока. ПРИБОРЫ: 1. Регулятор напряжения школьный РНШ 55. 2. Вольтметр Э 515 75 600 B. 3. Ампермет...
11431. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 257.5 KB
  Часть II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Цель задания: 1 Овладеть методикой измерения мощности в цепи переменного тока. 2 Определить угол сдвига фаз в цепи переменного тока используя ваттметр. Оборудование: к перечню приборов необходимых для выполн...
11432. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МЕТОДОМ ФИГУР ЛИССАЖУ 231.5 KB
  Лабораторная работа № 19 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА МЕТОДОМ ФИГУР ЛИССАЖУ ЦЕЛЬ: Овладеть методикой измерения угла сдвига фаз двумя способами 1по фигурам Лиссажу 2из векторных диаграмм. ПРИБ
11433. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА 2.06 MB
  Лабораторная работа № 20 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изготовить электрет из органического стекла. 2. Изучить свойства полученного электрета. ПРИБОРЫ: 1.Конденсатор разборной. 2. Высоковольтный преобразователь
11434. Исследование методики перехода от графической формы записи математических моделей к матрично-векторной 113.45 KB
  Лабораторная работа №1 Исследование методики перехода от графической формы записи математических моделей к матричновекторной Цель работы: освоение методики преобразования ММ ОУ из графической формы описания структурная схема в матричновект...
11435. Порядок установления важнейших показателей качества упаковки 71.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Порядок установления важнейших показателей качества упаковки 1. Цель работы: Ознакомиться с порядком определения оценки и анализа уровня качества упаковки. 2. Задание: для конкретного вида упаковки1 установить основную номенклатуру показ...
11436. Инвестиции в основной капитал и во внеоборотные активы 113.5 KB
  Экономическое содержание вложений во внеоборотные активы. Амортизация и ее роль в воспроизводственном процессе. Источники финансирования прямых инвестиций. Нематериальные активы, источники формирования, способы начисления амортизации.
11437. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ - ВОССТАНОВЛЕНИЯ 97.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ Введение. Реакции связанные с изменением степени окисления атомов в молекулах реагирующих веществ называются окислительновосстановительными. Степень окисления условный электрический з
11438. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 108.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Основные понятия Характерной особенностью окислительновосстановительных реакций является возможность пространственного разделения процессов окисления и восстановления т.е. проведения их на отдельных электр