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

80883. Критерии и показатели эффективности муниципального управления 44.98 KB
  Поскольку генеральной целью муниципальной деятельности является повышение качества жизни населения на территории муниципального образования данный показатель в динамике мог бы выступать в качестве обобщающего критерия эффективности муниципального управления. Сложность выработки и измерения достаточно объективных показателей эффективности муниципального управления определяется:спецификой муниципального образования как сложного объекта управления имеющего иерархическую структуру;трудностями формализованного описания социальноэкономических...
80884. Муниципальное управление образованием 45.16 KB
  Муниципальная политика в сфере образования строится на основе гос. политики базирующейся на принципах: гуманистический характер образования приоритет общечеловеческих ценностей жизни и здоровья человека свободного развития личности; общедоступность образования адаптивность системы образования к уровням и особенностям развития и подготовки обучающихся воспитанников; светский характер образования в госных и муных образовательных учреждениях; свобода и плюрализм в образовании. актами определяющими задачи ОМС в области образования...
80885. Основы муниципальной молодежной политики 45.24 KB
  Цели и задачи государственной и муниципальной молодежной политики Муниципальная молодежная политика совокупность целей и мер по их реализации принимаемых ОМС в целях создания и обеспечения условий и гарантий для самореализации личности молодого человека и развития молодежных объединений движений и инициатив. Эта политика осуществляется на основе нормативных правовых актов представительных ОМС и в русле госной молодежной политики придавая ей логическую стройность системный и целостный характер и делая демократичными механизмы ее...
80886. Муниципальная экономика и модели муниципального хозяйства 43.46 KB
  Это объясняется тем что объекты муниципальной собственности могут быть бюджето-наполняющими приносящими доходы в бюджет и бюджето-поглощающими не приносящими доходов в бюджет или требующими бюджетных средств на их содержание в размере превышающем получаемый доход. Поэтому ключевая задача муниципальной экономической политики состоит в оптимизации соотношений между объемом бюджетных услуг и потребностью в имуществе и в финансовых средствах. Конкурентный рынок муниципальных услуг настолько развит что задачей муниципальной власти является...
80887. Порядок формирования и организация работы представительного органа местного самоуправления 43.11 KB
  ПО МС может осуществлять свои полномочия в случае избрания не менее двух третей от установленной численности депутатов. Заседание его не может считаться правомочным если на нем присутствует менее 50 от числа избранных депутатов. ПО поселения состоит из депутатов избираемых на муниципальных выборах. ПО муниципального района: 1 может состоять из глав поселений входящих в состав муниципального района и из депутатов ПО указанных поселений избираемых ПО поселений из своего состава в соответствии с равной независимо от численности населения...
80888. Организационная структура местной администрации 46.1 KB
  Организационная структура местной администрации. В современной муниципальной практике типичными звеньями организационной структуры местной администрации являются: глава администрации; его заместители по сферам муниципальной деятельности среди которых могут быть один или два первых заместителя; структурные подразделения различных типов которые могут находиться в подчинении главы администрации одного из его заместителей или в соподчинении между собой например отдел в составе управления; коллегиальные совещательные органы: коллегия...
80889. Статус, полномочия Главы Муниципального Образовния и основания прекращения его полномочий 41.75 KB
  выборах либо входит в состав ПО МО с правом решающего голоса и исполняет полномочия его председателя либо возглавляет местную администрацию; 3 в случае избрания ПО МО исполняет полномочия его председателя; 4 не может одновременно исполнять полномочия председателя ПО МО и полномочия главы местной администрации; Глава МО в пределах полномочий: 1 представляет МО в отношениях с ОМС других МО ОГВ гражданами и организациями без доверенности действует от имени МО; 2 подписывает и обнародует в порядке установленном уставом МО нормативные...
80890. Процесс управления муниципальными услугами 44.09 KB
  К муниципальным услугам относится весь комплекс жилищнокоммунальных транспортных в пределах территории поселения бытовых торговых образовательных медицинских культурных досуговых и других услуг. К муниципальным услугам следует относить и такие как обеспечение общественного порядка обустройство и содержание территории обеспечение ее экологического и санитарного благополучия и т. Даже то что мы называем комплексным социальноэкономическим развитием МО означает не что иное как целенаправленное изменение ситуации в сторону...
80891. Организация и планирование работы местной администрации 43.83 KB
  Основным документом определяющим организацию деятельности местной администрации является ее регламент утверждаемый главой администрации. Наряду с регламентом работы администрации важную роль в организации ее деятельности играют нормативные документы регламентирующие деятельность отдельных структурных подразделений и исполнителей. В соответствии с положениями и профилем своей работы структурные подразделения администрации: курируют работу подведомственных предприятий организаций и учреждений; осуществляют сбор информации анализ...