ĆWICZENIE NR 8F

Temat ćwiczenia:

WŁASNOŚCI FOTOOPTYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW

Cel ćwiczenia:

- poznanie zjawisk fotoelektrycznych w półprzewodnikach

BADANIE WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNYCH

PÓŁPRZEWODNIKÓW

Program ćwiczenia:

-

wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora

-

wyznaczanie charakterystyki świetlnej fotorezystora

1. Wiadomości teoretyczne:

1.1 Zjawiska fotoelektryczne w półprzewodnikach

W temperaturze zera bezwzględnego półprzewodniki są izolatorami. Dla uzyskania

przewodnictwa należy pewnej liczbie elektronów związanych z atomami półprzewodnika lub
z atomami domieszek, udzielić z zewnątrz pewnej energii, tak aby mogły one przejść na wyższe
poziomy energetyczne i uzyskały zdolność swobodnego poruszania się w półprzewodniku.
Energia ta może być dostarczona w postaci energii cieplnej, przez podwyższenie temperatury
półprzewodnika powyżej temperatury zera bezwzględnego. W określonej temperaturze
w półprzewodniku istnieje ustalona koncentracja swobodnych nośników pobudzonych
termicznie, które mogą przewodzić prąd elektryczny. Prąd przenoszony przez nośniki
pobudzane termicznie nazywamy prądem ciemnym.

Wzrost energii elektronów w półprzewodniku może być również spowodowany w inny sposób,
a mianowicie przez pochłonięcie energii fotonów, w wyniku wzajemnego oddziaływania na
siebie promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej długości fali i sieci krystalicznej
półprzewodnika. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska fotoelektrycznego.

Energia przekazywana elektronom przez fotony może być tak duża. że są one w stanie opuścić
napromieniowane ciało. Mamy wówczas do czynienia ze zjawiskiem fotoelektrycznym
zewnętrznym, zwanym inaczej emisją fotoelektronową

Jeżeli przyrost energii elektronów jest zbyt mały dla wywołania emisji

fotoelektronowej, ale

wystarczająco duży do tego, aby uzyskały one zdolności

swobodnego poruszania się w

oświetllonym półprzewodniku, mamy wtedy

do czynienia ze zjawiskiem fotoelektrycznym

wewnętrznym.

W półprzewodnikach jednorodnych zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne objawia się
zwiększeniem ich przewodności właściwej podczas oświetlania; nosi to nazwę
przewodnictwa fotoelektrycznego. Przewodność właściwa oświetlonego półprzewodnika
jednorodnego może być ogólnie zapisana w następujący sposób:

γ

=

γ

c

+

γ

fe

=q(n

e

µ

e

+n

p

µ

p

)+q(

∆

n

e

µ

e

+

∆

n

p

µ

p

)

(1)

gdzie:

γ

- przewodność półprzewodnika oświetlonego [ 1/

Ω

m],

γ

c

- przewodność półprzewodnika nieoświetlonego [ 1/

Ω

m],

γ

fe

- przewodność fotoelektryczna [ 1/

Ω

m],

n

e

, n

p

- koncentracja swobodnych elektronów i dziur pobudzonych termicznie

[l/m

3

],

∆

n

e

,

∆

n

p

- przyrosty koncentracji elektronów i dziur pobudzonych przez fotony [l/m

3

],

q - ładunek elektronu [C] ,

µ

E

,

µ

P

- ruchliwość elektronów i dziur [m

2

/Vs].

W półprzewodnikach niejednorodnych, w których występują wewnętrzne bariery potencjału,
zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne prowadzi do powstania napięcia i nosi nazwę zjawiska
fotowoltaicznego.

W półprzewodniku jednorodnym umieszczonym w zewnętrznym polu magnetycznym
również powstaje napięcie w czasie oświetlania. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska
fotomagnetycznego.

Zarówno zjawisko fotoelektryczne, jak i zjawisko fotowoltaiczne i fotomagnetyczne znajdują
zastosowanie w półprzewodnikowych przyrządach fotoelektrycznych.

1.2 Przewodnictwo fotoelektryczne samoistne

Swobodne nośniki ładunku, wyzwalane w wyniku pochłaniania przez półprzewodnik kwantów
promieniowania o odpowiedniej energii, mogą pochodzić z dwóch źródeł, podobnie jak nośniki
pobudzone przez energię cieplną

Jeżeli energia fotonu jest wystarczająca do rozerwania wiązania sieci i spowoduje przejście
elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje wówczas para nośników
swobodnych - elektron i dziura. Przewodnictwo związane z wytwarzaniem przez
promieniowanie par elektron-dziura nosi nazwę przewodnictwa fotoelektrycznego
samoistnego. Minimalna energia jaką musi posiadać foton dla wywołania przewodnictwa
fotoelektrycznego samoistnego, równa jest szerokości pasma zabronionego E

g

półprzewodnika.

Rys. 1. Mechanizm powstawania przewodnictwa fotoelektrycznego samoistnego oraz domieszkowego

Z tych rozważań można wyznaczyć graniczną długość fali promieniowania

λ

OS

,

powyżej której

nie wystąpi przewodnictwo fotoelektryczne samoistne w danym półprzewodniku.

]

[

24

,

1

µ

λ

g

g

OS

E

E

hc

=

=

(2)

gdzie:
h - stała Plancka
c - prędkość światła
E

g

- szerokość pasma zabronionego

Graniczna długość fali nosi nazwę długofalowego progu przewodnictwa fotoelektrycznego
samoistnego.

1.3 Przewodnictwo fotoelektryczne domieszkowe

Fotony o energii mniejszej od szerokości pasma zabronionego E

g

mogą pobudzać nośniki

z poziomów domieszkowych znajdujących się w paśmie zabronionym półprzewodnika.
Przewodnictwo tego typu nosi nazwę przewodnictwa fotoelektrycznego domieszkowego.
Poziomy domieszkowe w półprzewodniku posiadającym temperaturę pokojową są całkowicie
zjonizowane w wyniku pobudzania termicznego. Z tego względu dla uzyskania
przewodnictwa fotoelektrycznego domieszkowego niezbędne jest ochłodzenie półprzewodnika
do odpowiednio niskiej temperatury, w której nie występuje jeszcze termiczna jonizacja
domieszek.

1 .4 Klasyfikacja i charakterystyki półprzewodnikowych przyrządów

fotoelektrycznych.

Półprzewodnikowe przyrządy fotoelektryczne można podzielić na cztery grupy:

-

przyrządy fotoprzewodnościowe

-

przyrządy fotowoltaiczne

-

przełączniki fotoelektryczne

-

modulatory promieniowania

Pierwszą grupę stanowią przyrządy wykorzystujące przewodnictwo fotoelektryczne. Są to
przyrządy odznaczające się dużą opornością elektryczną, gdy nie są

oświetlone, oraz

zmniejszaniem oporności pod wpływem padającego na przyrząd

promieniowania

o odpowiedniej długości fali. Przyrząd taki włączony do obwodu

elektrycznego ze źródłem

napięcia powoduje zmiany natężenia prądu w obwodzie

przy zmianach natężenia padającego

nań promieniowania.

Najprostszym typem przyrządów wykorzystujących przewodnictwo

fotoelektryczne są

oporniki fotoelektryczne. Można je podzielić według zasady

działania na dwie grupy.

Pierwszą grupę stanowią oporniki wykorzystujące zjawisko przewodnictwa fotoelektrycznego
samoistnego, tzn. takie, w których zmiana oporności zachodzi w wyniku przenoszenia
elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Drugą grupę stanowią oporniki wykorzystujące zjawisko przewodnictwa fotoelektrycznego
domieszkowego, w których następuje przenoszenie elektronów z poziomów donorowych do

pasma przewodnictwa lub wytwarzanie dziur w paśmie walencyjnym w wyniku przenoszenia
elektronów z tego pasma na poziomy akceptorowe.
Oporniki fotoelektryczne samoistne pracują najczęściej w temperaturze pokojowej i są

czułe na

promieniowanie o stosunkowo małej długości fali, przeważnie w obszarze

promieniowania

widzialnego i bliskiej podczerwieni.

Oporniki fotoelektryczne domieszkowe wymagają obniżenia ich temperatury do

wartości,

przy której poziomy domieszkowe nie są jeszcze zjonizowane termicznie, tzn. przynajmniej do
temperatury ciekłego tlenu. Są one jednak czułe na daleką

podczerwień.

Drugim typem przyrządów wykorzystujących przewodnictwo fotoelektryczne są

fotodiody z jednym złączem p-n. Wysoką oporność nieoświetlonej fotodiody uzyskuje się
dzięki wykorzystaniu charakterystyki prądowo - napięciowej złącza p- n w zakresie zaporowym.
Promieniowanie padające na złącze zwiększa wartość natężenia prądu nasycenia występującego
w tym obszarze charakterystyki. Bardziej złożonym przyrządem jest fotodioda z dwoma
złączami p-n. Jej zaletą jest połączenie wysokiej oporności zaporowej złącza p-n oraz
wzmocnienia prądu fotoelektrycznego opartego na tym samym zjawisku, co wzmocnienie
w tranzystorach. Dzięki temu posiada ona bardzo dużą czułość. Najbardziej uniwersalnym
przyrządem wykorzystującym przewodnictwo fotoelektryczne jest fototranzystor. Wartość
oporności wyjściowej fototranzystora w układzie ze wspólnym emiterem może być zmieniana
przez promieniowanie i jednocześnie przez sygnały elektryczne przykładane między bazą
i emiterem. Tranzystor z bazą zwartą do emitera pracuje jak fotodioda z jednym złączem p-n.
natomiast z bazą rozwartą - jak fotodioda z dwoma złączami p-n. Czułość fototranzystora
może być regulowana w sposób ciągły przez zmianę oporności między emiterem i bazą.

Drugą grupę półprzewodnikowych przyrządów fotoelektrycznych stanowią przyrządy
fotowoltaiczne (ogniwa fotoelektryczne). Są to przyrządy, na których zaciskach powstaje
SEM fotoelektryczna podczas oświetlania przyrządu promieniowaniem o odpowiedniej
długości fali. Dzięki temu dają one prąd w obwodzie bez stosowania zewnętrznego źródła
napięcia. Najprostszym przyrządem fotowoltaicznym jest fotodioda z jednym złączem p-n.
Jednak jako typowe ogniwa fotoelektryczne wykonywane są przyrządy o znacznie większej
powierzchni złącza p-n, niż powierzchnie stosowane w fotodiodach przeznaczonych do pracy
jako przyrządy wykorzystujące przewodnictwo fotoelektryczne.

Trzecią grupę półprzewodnikowych przyrządów fotoelektrycznych stanowią przełączniki
fotoelektryczne. Są to przyrządy fotoprzewodnościowe różniące się od wyżej omówionych tym,
ż

e posiadają dwa stabilne stany - jeden o bardzo dużej, a drugi o bardzo małej oporności, przy

czym zmiana stanu może następować pod wpływem krótkiego impulsu świetlnego i jest
niezależna od dalszych zmian oświetlenia.

Czwartą grupę przyrządów stanowią modulatory promieniowania. Sposób ich działania jest
jak gdyby odwróceniem sposobu działania omówionych wyżej grup przyrządów. W opornikach
fotoelektrycznych,

przyrządach

fotowoltaicznych

i przełącznikach

fotoelektrycznych

promieniowanie wywołuje zmiany odpowiednich parametrów elektrycznych przyrządu.
W modulatorze promieniowania natomiast przez zmianę jego parametrów elektrycznych
uzyskuje się zmianę natężenia promieniowania przechodzącego przez modulator.

1.5 Fotorezystory

Najprostszym półprzewodnikowym przyrządem fotoelektrycznym jest opornik fotoelektryczny
-fotorezystor,

którego

działanie

oparte

jest

na

wykorzystaniu

przewodnictwa

fotoelektrycznego.

Wyróżnia

się

fotorezystory

samoistne

i domieszkowane,

monokrystaliczne oraz cienkowarstwowe.

Budowa fotooporu i technologia jego wytwarzania są dość proste. Na płytkę szklaną 1
(rys.2) nanosi się warstewkę metalu - złota, srebra lub platyny. W warstwie metalicznej
wycina się szczeliny dla rozdzielenia jej na dwie, elektrycznie odizolowane elektrody 3;
nadaje się im kształt dwu grzebieni wzajemnie zachodzących na siebie, ale bez dotykania.
Robi się to po to, aby zwiększyć powierzchnię wzajemnego oddziaływania elektrod.
Następnie na tak przygotowane elektrody nanosi się półprzezroczystą warstewkę
półprzewodnika o grubości nie większej niż średnia głębokość przenikania światła Dla
ochrony od zewnętrznych uszkodzeń fotorezystor pokrywa się warstewką przezroczystej
substancji ochronnej i następnie całość umieszcza się w banieczce szklanej, zaopatrzonej w
końcówki łączące się z elektrodami.

Rys.2. Budowa i obwód elektryczny fotorezystora

1 - płytka szklana,

2 - półprzewodnik,

3 - elektrody.

Zasada działania fotorezystora jest oparta, jak to zostało wyjaśnione wcześniej, na
powstawaniu dodatkowej liczby nośników ładunku w wyniku pochłaniania energii
promienistej. Przejawia się to zwiększeniem przewodnictwa półprzewodnika. Badanie
właściwości elektrycznych fotorezystora wymaga włączenia go do obwodu źródła prądu.
Zmieniając napięcie źródła U od zera wzwyż stwierdzić można liniowy wzrost natężenia prądu
fotorezystora I

f

, zgodny z prawem Ohma. Żadnego progu nasycenia nie obserwuje się, przy

wzroście U rośnie ciągle I

fi

oczywiście do granic wytrzymałości na ogrzewanie wskutek

wydzielającego się ciepła Joule'a. Przy nadmiernym natężeniu prądu fotorezystor ulega
zniszczeniu. Zależność prądu fotorezystora I

f

od przyłożonego napięcia U przy stałym

Φ

będziemy nazywali charakterystyką prądowo-napięciowa. Jest ona zależna od strumienia
ś

wiatła

Φ

padającego na fotorezystor. Na rys.3 mamy przedstawione trzy charakterystyki dla

różnych wartości strumienia Najniższa odpowiada przebiegowi prądu "ciemnego" (

Φ

= 0).

3

2

1

mA

U

Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora

Charakterystyka świetlna fotorezystora wyraża zależność natężenia prądu fotorezystora I

f

od padającego nań strumienia świetlnego

Φ

przy stałej wartości napięcia U. Charakterystyki te

są zwykle nieliniowe, co oznacza, że przyrost liczby nośników ładunku nie jest ściśle
proporcjonalny do strumienia świetlnego

Φ

.

Z wykresu odczytać można wartość prądu ciemnego I

c

dla

Φ

= 0.

Rys.4. Charakterystyka świetlna fotorezystora.

2.Wykonanie ćwiczenia.

2.1 Charakterystyka prądowo-napięciowa

Zestawiamy układ doświadczalny według schematu pokazanego na rys.5. Fotorezystor F
umieszczony jest w osłonie z okienkiem, przez które przechodzi wiązka światła wysyłanego
przez lampę L, w której źródłem światła jest żarówka oświetlacza mikroskopowego. Soczewka
zamienia rozbieżną wiązkę światła na zbieżną. Napięcie na zaciskach fotorezystora zmieniamy
za pomocą potencjometru zasilacza staloprądowego, do którego podłączony jest fotorezystor.

I

f

(mA)

Φ

(lm)

I

c

I

f

(mA)

U (V)

2

Φ

1

Φ

0

=

Φ

1

2

Φ

〉

Φ

Miernikiem natężenia prądu jest miliamperomierz o zakresie pomiarowym uzależnionym od
typu stosowanego fotorezystora.

Rys. 5. Układ doświadczalny do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora

Przystępując do pomiarów zaczynamy od charakterystyki prądu "ciemnego". Zasłaniamy
okienko fotorezystora, ustawiamy napięcie na zasilaczu U = 0. Sprawdzamy czy amperomierz
również wskazuje natężenie prądu I = 0. Następnie ustalamy za pomocą potencjometru zmiany
napięcia, napięcie U = 1V i odczytujemy odpowiadające mu natężenie prądu I. W ten
sposób postępując podwyższamy napięcie skokowo co 1V do 10V, odczytując za każdym
razem wskazywane przez miliamperomierz natężenie prądu "ciemnego". Uzyskane wyniki
pomiarów zapisujemy do tabeli I; posłużą one do sporządzenia wykresu charakterystyki prądu
"ciemnego".

W podobny sposób przeprowadzamy pomiary dla uzyskania danych do sporządzenia
charakterystyki prądu "jasnego". Odsłaniamy okienko fotorezystora i włączamy oświetlenie
fotorezystora. Pomiary prądu fotorezystora I

f

zaczynamy, podobnie jak i poprzednio, od

napięcia U = 0, a następnie skokowo w odstępach co 0,5V do wartości ok. 10V.
Charakterystyki dla dwóch różnych wartości strumieni świetlnych wyznaczamy postępując
zgodnie z instrukcją dodatkową znajdującą się przy ćwiczeniu. Pomiary dotyczące prądów
"jasnych" dla różnych strumieni zapisujemy w tej samej tabeli I.

Tabela I

Strumień świetlny

Φ

=0 Lx

Φ

1

=

Φ

2

=

U

I

f

U

I

f

U

I

f

2.2 Charakterystyka świetlna fotorezystora

Stosujemy ten sam schemat układu pomiarowego co w poprzednim punkcie. Zmieniać
będziemy napięcie zasilające żarówkę przez co uzyskamy zmianę strumienia świetlnego.

Ustalamy dowolne (patrz instrukcja dodatkowa) napięcie U przyłożone do fotorezystora
i przy wszystkich dalszych pomiarach nie będziemy go zmieniać. Pomiary prądu I

f

płynącego

F

V

mA

P

L

S

przez fotorezystor zaczynamy do wartości zerowej strumienia tzn. przy wyłączonym
oświetleniu. W dalszej kolejności będziemy odczytywali wartości I

f

dla coraz większych

wartości strumienia świetlnego poczynając od wartości ukazanej w instrukcji dodatkowej.
Podwyższamy napięcie skokowo, za każdym razem odczytując natężenie prądu I płynącego
przez żarówkę, oraz natężenie I

f

prądu płynącego przez fotorezystor. Wyniki zapisujemy

w tabeli II. Na podstawie zawartych w niej danych sporządzamy wykres zależności
fotoprądu od wielkości strumienia świetlnego wyrażonego w luxach.

Tabela II

Napięcie na

ż

arówce

U[V]

Natężenie

prądu

I[A]

Natężenie

oświetlenia

Φ

[Lx]

Napięcie na
fotooporze
U

f

=const.[V]

Natężenie
fotoprądu

I

f

[A]

2.3 Dyskusja wyników pomiarów i obliczeń. Wnioski.