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

71027. Функционирование мостов и коммутаторов на основе протокола канального уровня STP стека протоколов TCP/IP 103.5 KB
  Выбранный корневой коммутатор начинает рассылку пакетов BPDU на все свои порты. В этих пакетах в поле «Стоимость пути до корня» содержится информация о стоимости портов. Корневой коммутатор при рассылке устанавливает содержимое этого поля в ноль, а следующие коммутаторы добавляют...
71030. Развитие кадрового потенциала ОАО «ЖТК» 477.5 KB
  Изучить современные научные подходы к проблеме подготовки, переподготовки и повышения квалификации кадров; проанализировать состояние работы по подготовке, переподготовки и повышению квалификации руководителей и специалистов Красноярского филиала ОАО «ЖТК»; выявить проблемы организации процесса подготовки, переподготовки и повышения квалификации руководителей и специалистов Красноярского филиала ОАО «ЖТК»...
71031. Изучение основных принципов работы маршрутизаторов в сетях ЭВМ на основе протокола OSPF 209 KB
  Изучение основных принципов работы маршрутизаторов в сетях ЭВМ на основе протокола OSPF. В результате выполнения лабораторной работы студент получает знания по принципам построения и алгоритмам функционирования маршрутизаторов в сетях ЭВМ и навыки по выбору кратчайших путей в сети на основе протокола OSPF.
71032. Разработка универсальной модульной системы, предназначенной для организации промышленной шины 3.78 MB
  Недостатком промышленной сети является то, что при обрыве кабеля теряется возможность получать данные и управлять не одним, а несколькими устройствами (в зависимости от места обрыва и топологии сети остается возможность автономного функционирования сегмента сети и схемы управления).
71033. Информационно–справочная система архива проектно–сметной документации для Ставропольнефтегаз 16.24 MB
  Непосредственной целью данного дипломного проекта является проектирование и разработка информационно – справочной системы ведения архива проектно – сметной документации, которая будет вести учет проектно – сметной документации.
71035. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ДЛИНЫ ПАКЕТА СЕТИ ЭВМ 131.5 KB
  Изучить влияние длины пакета на характеристики сети ЭВМ. Изучить методику расчёта рациональной длины пакета сети ЭВМ. Определить рациональную длину пакета сети ЭВМ. Исследовать зависимость эффективной скорости передачи данных от длины пакета для основного цифрового канала связи и канала связи тональной...