ĆWICZENIE NR 61

BADANIE CHARAKTERYSTYKI WIDMOWEJ FOTOREZYSTORA

WSTĘP TEORETYCZNY

Zjawiska elektryczne zachodzące pod wpływem promieniowania nazywa się ogólnie zjawiskami fotoelektrycznymi. Mogą one mieć charakter zewnętrzny lub wewnętrzny. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne powstaje wówczas, gdy energia fotonów jest na tyle duża, że pobudzone do optycznie elektrony opuszczają powierzchnię ciała, a więc następuje emisja fotoelektronowa (fotoemisja). Jeżeli energia fotonów jest mniejsza, tak, że nie jest możliwa fotoemisja, a jedynie zmiana stanu energetycznego elektronów ciała, to zjawisko fotoelektryczne określa się jako wewnętrzne. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne może przejawiać się wzrostem przewodnictwa półprzewodnika lub dielektryka - nazwyma się je wówczas zjawiskiem fotoprzewodnictwa - lub powstaniem siły elektromotorycznej w półprzewodniku o wyraźnie ukształtowanym złączu p-n - nazywa się je wówczas zjawiskiem fotowoltaicznym.

Przewodnictwo elektryczne czystego chemicznie półprzewodnika nosi nazwę przewodnictwa samoistnego. Przewodnictwo elektronowe (przewodnictwo typu n) powoduje w wyniku przeskoku elektronów z pasma walencyjnego (najwyższego pasma obsadzonego całkowicie przez elektrony) do pasma przewodnictwa (przewodzenia). Energia, jaką należy przy tym zużyć, równa się co najmniej szerokości przerwy energetycznej i nazywa się energią aktywacji przewodnictwa samoistnego ΔE₀. Przewodność właściwa y półprzewodników rośnie ze wzrostem temperatury T:

,

gdzie k - stała Boltzmanna. Opornośc elektryczna półprzewodników zmniejsza się podczas nagrzewania. Na tym polega istotna różnica między półprzewodnikami a metalami.

Wzrost przewodnictwa półprzewodników można spowodować nie tylko nagrzewaniem, lecz także oddziaływaniem dostatecznie silnego pola elektrycznego oraz naświetlaniem (fotoprzewodnictwo półprzewodników)

Przeskok elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia powoduje, że w zapełnionym poprzednio paśmie walencyjnym półprzewodnika tworzą się puste poziomy energetyczne. Ruch elektronów, znajdujących się w tym paśmie, pod wpływem działania pola elektrycznego jest równoważny ruchowi ładunków dodatnich zwanych dziurami; wartość bezwzględna ładunku dziury jest równa wartości bezwzględnej ładunku elektrycznego. Przewodnictwo wywołane ruchem dziur nazywa się przewodnictwem dziurowym lub przewodnictwem typu p.

Przewodnictwem niesamoistnym (domieszkowym, wymuszonym) półprzewodników nazywa się ich przewodnictwo elektryczne uwarunkowane występowaniem domieszek. Przez domieszki rozumie się: a) atomy ubocznych pierwiastków; b) występujące w nadmiarze (w porównaniu ze składem stechiometrycznym) atomy pierwiastków, z jakich składają się półprzewodniki; c) wszelkiego rodzaju defekty sieci krystalicznej: puste węzły (wakansy), atomy lub jony znajdujące się między węzłami sieci, przesunięcia związane z deformacją plastyczną kryształu, pęknięcia itp.

Domieszki wywołują zmiany w okresowym polu elektrycznym kryształu oraz wpływają na ruch elektronów i ich stany energetyczne. Poziomy energetyczne elektronów walencyjnych atomów domieszkowych nie zajmują miejsc w dozwolonych pasmach energetycznych wyjściowego kryształu, lecz tworzą domieszkowe poziomy energetyczne położone w przerwie energetycznej (poziomy lokalne).

Domieszki mogą stanowić dodatkowe źródło elektronów w krysztale. Na przykład w przypadku zastąpienia jednego czterowartościowego atomu germanu przez pięciowartościowy atom fosforu, arsenu lub antymonu, jeden elektron nie może wziąc udział w wiązaniu kowalencyjnym i staje się „zbędny”.

Poziom energetyczny takiego elektronu znajduje się poniżej pasma przewodnictwa. Tego rodzaju poziomy zajęte przez elektrony, noszą nazwę poziomów donorowych Atomy domieszek, dostarczające elektronów, nazywają się donorami. Do przeprowadzenia elektronów z poziomów donorowych do nie zajętego całkowicie pasma przewodnictwa wystarcza niewielka energia ΔE₀. Na przykład w przypadku krzemu ΔE₀=0.054 eV, jeśli domieszką jest arsen. W wyniku przeniesienia elektronów z poziomów donorowych do pasma przewodnictwa w półprzewodniku powstaje niesamiostne przewodnictwo elektronowe. Półprzewodniki tego rodzaju nazywa się półprzewodnikami elektronowymi lub półprzewodnikami typu n.

Wskutek zastąpienia czterowartościowego atomu germanu (w sieci krystalicznej) przez atom trójwartościowy (bor, glin, ind) powstaje niedomiar jednego elektronu, uniemożliwiający tworzenie wiązań kowalencyjnych. brakujący elektron może być „pożyczony” od sąsiedniego atomu germanu w sieci, w którym pojawi się wówczas dodatnia dziura. Gdy powstające w atomach germanu dziury zostaną kolejno zapełnione przez elektrony, pojawi się wówczas przewodnictwo półprzewodnika. Wolne domieszkowe poziomy energetyczne nazywają się poziomami akceptorowymi. Znajdują się one nieco powyżej górnej granicy pasma walencyjnego. wyjściowego kryształu w odległości ΔE_h od niego. Na przykład podczas wprowadzania boru do sieci krystalicznej krzemu ΔE₀=0.08 eV. Atomy domieszek tego rodzaju nazywają się akceptorami. Przeprowadzanie elektronów z zajętego pasma walencyjnego na poziomy akceptorowe prowadzi do powstania niesamoistnego przewodnictwa dziurowego (przewodnictwa typu p). Półprzewodniki o takim przewodnictwie nazywa się półprzewodnikami dziurowymi lub półprzewodnikami typu p.

Jeśli jednocześnie wprowadzimy do półprzewodnika domieszki donorowe i akceptorowe, to rodzaj przewodnictwa zależy od domieszki o większej koncentracji nośników prądu. Przy dowolnym rodzaju przewodnicrwa liczba nośników prądu jest w półprzewodnikach znacznie mniejsza niż w metalach. Koncentracji i energia elektronów (i dziur) w półprzewodnikach zależy - w odróżnieniu od metali - w znacznym stopniu od temperatury, wzrastająć wraz z jej podwyższeniem.

Fotorezystorem nazywa się element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prad ze źródła zewnętrznego. Całość zazwyczaj umieszcza się w obudopwie (szklanej lub metalowej) z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Działanie fotorezystora jest opart na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym. Strumień światła Φ_λ o odpowiedniej długości fali λ wywołuje generację par elektron-dziura, ta dodatkowa liczba elektronów i dziur zwiększa konduktywność półprzewodnika, co w rezultacie powoduje zmniejszenie rezystancji fotorezystora.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1) Cechowanie wstępne monochromatora - ma na celu uzyskanie krzywej kalibracji, dzięki której mając daną wartość działki można uzyskać długość fali.

a) oświetlamy szczelinę wejściową substancją o znanym widmie (rtęć)

b) kręcąc bębnem monochromatora znajdujemy poszczególne linie widmowe danej substancji

c) zapisujemy działki

d) sporządamy wykres zależność długości fali od działki

2) Zdejmowanie charakterystyki widmowej fotorezystora (zależność prądu od długości fali i od napięcia)

a) montujemy układ

b) zerujemy mikroamperomierz

c) zamiast lampy rtęciowej przystawiamy lampę halogenową (oświetlającą światłem białym)

d) dla różnych położeń bębna przeprowadzamy pomiary prądu

e) zmniejszamy napięcie kolejno do 8, 6, 4 i 2 V i dla każdego napięcia ponawiamy serię pomiarów prądu

f) korzystając z krzywej kalibracji zamieniamy działki na długości fal

g) sporządzamy wykres długości fali od działki

3) Wyznaczenie szerokości pasma zabronionego

Cechowanie monochromatora

barwa	działka	długość fali
fioletowa	15.20	4358.3 Ĺ
niebieska	14.55	4916 Ĺ
zielona	13.25	5460.7 Ĺ
żółta	12.94	5769.5 Ĺ
czerwona	12.40	6390 Ĺ

Po przeanalizowaniu wykresu dochodzimy do wniosku, że nie oddaje on precyzyjnie zjawiska, które było badane. Błąd mianowicie polega na tym, że prąd nie maleje do zera tylko do pewnej stałej wartości. Prawdopodobnie mikroamperomierz nie został całkowicie wyzerowany albo fotorezystor nie był zbyt szczelnie przystawiony do wyjścia monochromatora, albo jakieś inne czynniki spowodowały powstanie tego błędu. Ponieważ jednak we wszystkich pomiarach ten błąd się powtarza i nie wpływa on na zjawisko jako takie, myślę, że nie będzie zbyt dużym błędem przesunięcie wykresu przez odjęcie tego felernego stanu początkowego od wszystkich wartości i uzyskanie w ten sposób „prawidłowego” wykresu.

Szerokość pasma wzbronionego

Zgodnie z pasmową teorią szerokośc pasma wzbronionego jest równa energii potrzebnej na przeskoczenie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Na wykresie objawia się to pod postacią wzrostu prądu.

WZORY I STAŁE

h - stała Plancka - 6,6256 * 10^-34 J* s

c - prędkość światłą - 2,997925 * 10⁸ m* s^-1

OBLICZENIA:

λ - długość fali odczytana z wykresu

[eV]

ANALIZA BŁĘDÓW:

Wartość ta jest obarczona jedynie błędem odczytu z wykresu, który wynosi jedną działkę osi OX, czyli 1[nm]. Jednak jest to tak nie wielka wartość (0,004* 10^-19), że można ten błąd pominąć. Natomiast sam wykres jest już obarczony pewnym błędem, błędem odczytu z mikroamperomierza oraz z działek bębna monochromatora. Na domiar złego cechowanie monochromatora jest również obarczone błędem i to błędem subiektywnym, gdyż jest związany z indywidualną percepcją wzroku badającego. Wartości tych wszystkich błędów nie rzutują na szczęście na rząd wielkości, jedynie na dokładność pomiaru (błędy rzędu 1%)

---