POLITECHNIKA ŚLĄSKA

W GLIWICACH

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

WYZNACZNIE CZUŁOŚCI WIDMOWEJ

FOTOELEMENTÓW

semestr 2

sekcja 7

Gruszczyk Mariusz

Żymła Tadeusz

WPROWADZENIE

Wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne polega na generacji elektronów i dziur w półprzewodnikach pod wpływem światła. Jeśli energia fotonu jest większa od szerokości przerwy energetycznej W

to mamy do czynienia z fotoprzewodnictwem samoistnym , w którym biorą udział zarówno swobodne elektrony, jak i dziury. Elektrony przechodzą z pasma podstawowego ( walencyjnego ) do pasma przewodnictwa.

rys 1. Schemat fotoprzewodnictwa samoistnego

W przypadku półprzewodników domieszkowanych z głębokimi poziomami akceptorowymi lub donorowymi może wystąpić fotoprzewodnictwo niesamoistne, związane z jednym z rodzajem nośników ładunku. Zjawisko to można zaobserwować w niskich temperaturach. Elektron może przejść z poziomu donorowego do pasma przewodnictwa ( generacja swobodnego elektronu ) lub elektronu z pasma podstawowego do poziomu akceptorowego ( generacja dziury ).

Rys. 2 Model fotoprzewodnictwa niesamoistnego.

W przypadku fotoprzewodnictwa samoistnego absorpcja światła zachodzi tuż przy powierzchni półprzewodnika, a głębokość wnikania światła jest rzędu 100 nm. Można więc stosować cienkie warstwy fotoprzewodzące . W drugim przypadku gdy, zachodzi fotoprzewodnictwo niesamoistne, absorpcja światła jest proporcjonalna do koncentracji domieszek, a głębokość wnikania jest znacznie większa.

Wzrost przewodności elektrycznej półprzewodników wskutek powyższych zjawisk towarzyszących absorpcji światła związany jest ze wzrostem koncentracji nośników ładunku:

gzie   ruchliwość nośników. Dla fotoprzewodnictwa samoistnego zmiany koncentracji elektronów i dziur są sobie równe. Zmiana przewodności może być też wywołana zmianą ruchliwości elektronów i dziur. Ponieważ ruchliwość nośników zależy od czasu swobodnego przelotu 

to w skutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez elektrony zmienia się ich energia i charakter ruchów cieplnych. Prowadzi to do zmiany ruchliwości, a zmiana przewodności nazywa się fotoprzewodnictwem ruchliwościowym lub fotoprzewodnictwem  ten rodzaj fotoprzewodnictwa związany jest z energiami fotonów mniejszymi od energii jonizacji centrów domieszkowych.

Jeśli próbka półprzewodnikowa będzie oświetlona światłem o mocy P., to w czasie 1 s wygeneruje się liczba par elektron - dziura :

gdzie   wydajność kwantowa procesu generacji, r - współczynnik odbicia światła.

W stanie ustalonym liczby nadmiarowych nośników są zależne od odpowiedniego czasu życia:

a więc zmiana konduktancji określona będzie wzorem:

Fotoprzewodnictwo zależ bardo silnie od długości fali światła padającego na powierzchnię półprzewodnika. Zastosowanie techniczne znalazły materiały o dłuższych czasach życia nośników nadmiarowych, gł. Siarczek ołowiu PbS, selenek ołowiu PbSe, tellurek ołowiu PbTe, siarczek kadmu CdS, krzem i german domieszkowane złotem i rtęcią oraz związki III - grupy. Ostatnio zaczęto stosować związki potrójne, np. PbZnTe i HgCdTe. Materiały te wykorzystuje się do produkcji fotooporników, fotodiod, fototranzystorów.

Fotooporniki wykonywane są w postaci cienkich warstw półprzewodników na podłożu dielektrycznym. Najczęściej stosuje się konstrukcję grzebieniową. Na cienką warstwę półprzewodnika nakłada się metodą maskowania metalowe elektrody w kształcie grzebieni. Całość umieszczona jest na płytce szklanej i zamknięta w obudowie metalowej z okienkiem. Dla fotorezystorów istnieje zakres pracy, w którym sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do wielkości strumienia świetlnego. W zależności od sposobu podłączenia podaje się dla takiego zakresu pracy czułość prądową lub napięciową.

Rys 3. Schemat połączenia fotodiody Rys 4. Fotoopornik z konstrukcją grzebieniową

W fotodiodzie wykorzystuje się zjawiska zachodzące w obszarze złącza p-n pod wpływem padającego światła. Jeśli energia kwantu jest większa od szerokości przerwy energetycznej, to elektron przechodzi z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa i w ten sposób generowana jest para elektron - dziura. Powstające nośniki dążą do obszarów o mniejszej koncentracji. Pole elektryczne złącza odpycha elektrony w głąb półprzewodnika typu n. Dziury przedostają się do obszaru typu p. po drugie stronie złącza zachodzą procesy odwrotne: elektrony gromadzą się w warstwie typu n, a dziury w warstwie typu p. W ten sposób powstaje pole elektryczne i zaczyna płynąć prąd w kierunku przewodzenia, kompensując przepływ dyfuzyjny nośników mniejszościowych w kierunku wstecznym. Różnica potencjałów, odpowiadająca stanowi równowagi , nazywa się siłą fotoelektromotoryczną . jest ona zależna od strumienia opadającego światła. Fotodioda staje się w tych warunkach fotoogniwem. Efekt fotowoltaniczny powstaje także na styku półprzewodnik - metal. Jeśli złącze p - n zostanie spolaryzowane w kierunku zaporowym, to fotodioda zachowuje się jak nieliniowy fotorezystor, w którym prąd płynący nie zależy od napięcia, tylko od strumienia padającego promieniowania. W obwodzie fotodiody umieszcza się rezystor obciążający, z którego zbiera się sygnał wyjściowy ( różnicę potencjałów ) zależny od sygnału promieniowania.

Fototranzystor posiada trzy obszary o różnym typie przewodnictwa ( p - n - p. lub n - p - n ). Fototranzystorem może być zwykły tranzystor w układzie ze wspólnym emiterem, jeśli umożliwi się padanie światła na bazę. Przy braku oświetlenia przez złącze płynie prąd ciemny. Pod wpływem światła w obszarze bazy generowana jest para dziura - elektron. W strukturze p - n -p. dziury dyfundują do złącz kolektorowego i zwiększają prąd kolektora, natomiast elektrony znajdujące się w dole potencjalnym nie mogą opuścić bazy. Nieskompensowany ujemny ładunek objętościowy w bazie obniża barierę potencjału złącza i zachodzi wstrzykiwanie dziur z emitera do bazy. Wstrzykiwane dziury przedostając się do kolektora zwiększają jego prąd. W fototranzystorze zachodzi więc wewnętrzne wzmacnianie prądu fotoelektrycznego.

Obliczenia

Stuprocentowa czułość fotoelementów dopowiada minimalnej wartości rezystancji fotorezystora, maksymalnej sile SEM fotoogniwa oraz maksymalnemu prądowi fotodiody, w stosowanym zakresie długości fali świetlnej.

Obliczamy wartości błędów względnych procentowych dla miernika cyfrowego ze wzoru:

Wyznaczone wielkości nanosimy na wspólny wykres. Wykres ten przedstawia zależność względnej czułości widmowej, badanych fotoelementów, od długości fali.

Wnioski

Wykonując to doświadczenie dowiedzieliśmy się jak zmieniają się parametry poszczególnych fotoelementów wraz ze zmianą parametrów ( długości fali ) padającego na nie światła.

Dzięki wyznaczonym charakterystykom możemy określić dla jakich długości fali, poszczególne elementy fotoelektryczne, posiadają największą czułość.

Fotorezystor

Lp.	 [ nm ]	R [ k ]	%	Błąd %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 	94,5 53,5 35,4 25,0 18,4 13,5 6,5 2,4 1,7 1,4 1,3 1,2 1,1 1,1 1,2 1,3 1,6 2,1	1,2 2,1 3,1 4,4 6 8,1 16,9 45,8 64,7 78,6 84,6 91,7 100 100 91,7 84,6 68,8 52,4	0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,5 2,3 5 6,7 7,9 8,5 9,1 9,9 9,9 9,1 8,5 7,1 5,6

Fotoogniwo

Lp.	 [ nm ]	E [ mV ]	%	Błąd %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720	16,0 25,7 39,8 60,8 82,8 99,5 109,7 117,3 123,4 127,6 129,3 128,0 125,3 117,8 103,3 83,3 66,6 56,3	12,4 19,9 30,9 47,1 64,2 77,1 85,0 90,9 95,7 98,9 100 99,2 97,1 91,3 80,1 64,6 51,6 43,6	1,1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,7

Fotodioda

Lp.	 [ nm ]	U [ mV ]	%	Błąd %
s1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 	0,8 1,4 2,9 5,5 10,2 17,8 27,8 40,5 55,8 72,8 88,6 102,2 123,0 141,5 157,3 170,2 179,1 184,8	0,4 0,8 1,6 3,0 5,5 9,6 15,0 21,9 30,2 39,4 47,9 55,3 66,6 76,6 85,1 92,0 96,9 100	13 7,6 3,9 2,3 1,1 0,9 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

1

1

h

D

h

h

A

Uo

R

-

+

n p

U

p

---