Лабораторна робота № 404

Лабораторна робота № 404.

Фотопровідність НАПІВПРОВІДНИКІВ.
ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСУ ЖИТТЯ
НОСІЇВ ЗАРЯДУ

Мета роботи: 1) визначення закону релаксації фотопровідності напівпровідника;

2) визначення часу життя неосновних носіїв заряду по кривим релаксації фотопровідності напівпровідника.

Прилади й приналежності: установка для вивчення релаксації фотопровідності напівпровідника.

Фотопроводимостью називається явище, яке полягає в зміні провідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання, не пов'язане з його нагріванням.

За відсутності електромагнітного випромінювання провідність напівпровідника (звана темнової провідність) визначається носіями заряду: електронами в зоні провідності і дірками у валентній зоні, зумовленими термічним збудженням (тепловою генерацією). Ці носії заряду: електрони з концентрацією no і дірки з концентрацією ро - знаходяться в тепловій рівновазі з кристалічною решіткою напівпровідника і називаються рівноважними. Питома темновая провідність напівпровідника sо описується рівнянням:

де е - заряд електрона; mn і m р - рухливості електронів і дірок, відповідно.

При висвітленні напівпровідника в результаті поглинання квантів світла з енергією, що перевищує енергію активації носіїв, виникають додаткові (нерівноважні) носії заряду. Процес їх порушення називають оптичною генерацією. Провідність освітленого напівпровідника s в результаті оптичної генерації носіїв зростає на величину:

Тут D s - питома фотопровідність напівпровідника; D n = n - no - концентрації нерівноважних електронів і дірок, відповідно.

Збуджені носії можуть брати участь в провідності тільки протягом певного часу, після закінчення якого вільні носії зникають. Час, який носій проводить у вільному стані (електрон в зоні провідності, дирка- в валентної зоні), називається часом жізніt вільного носія.

Найбільш характерним процесом, що визначає час життя, є рекомбінація - процес возз'єднання електрона і дірки. Швидкість рекомбінації пропорційна концентрації нерівноважних носіїв заряду. З цієї причини, при висвітленні напівпровідника фотопровідність наростає поступово (рис.1).

У міру збільшення швидкості рекомбінації швидкість росту фотопроводимости зменшується і через деякий час встановлюється стаціонарна фотопровідність, якій відповідають стаціонарні концентрації нерівноважних електронів D Nст і дірок D рст. визначаються рівністю швидкостей генерації і рекомбінації носіїв. при виключенні світла з тієї ж причини фотопровідність спадає до нуля також поступово. Криві наростання і спаду фотопровідності називаються кривими релаксації фотопровідності.

У домішковому напівпровіднику р-типу при виконанні умов ро >> no і D n <

а її спад - рівнянням:

де D sо - стаціонарне значення фотопроводимости; tо - час життя електрона; t - час.

Тобто наростання і спад фотопровідності при включенні і виключенні світла в разі лінійної рекомбінації нерівноважних носіїв заряду відбувається за експоненціальним законом з постійною часу релаксації, що дорівнює часу життя пари (електрон - дірка) нерівноважних носіїв заряду. Отже, досліджуючи релаксаційні криві фотопровідності, можна безпосередньо визначити час життя t нерівноважних носіїв заряду (t = tn = tp).

2.Опісаніе РОБОЧОЇ УСТАНОВКИ І
МЕТОДУ ИЗМЕРЕНИЙ

Експериментальна установка для дослідження кінетики релаксації фотопровідності і вимірювання часу життя носіїв заряду t показана на рис.2.

В якості напівпровідникового зразка в установці використовується фоторезистор RS (типу ФСК, ФСД, ФСА і ін.), Підключений до джерела постійної напруги U через навантажувальний опір RH. причому RH <

s S. Тобто осцилограф з точністю до постійного множника вимірює провідність досліджуваного зразка.

Зразок висвітлюється прямокутними світловими імпульсами, випромінюваними светодиодом D. який живиться від генератора прямокутних імпульсів Г. Тривалість імпульсів світла і темнова пауз така, що за час освітлення в зразку встановлюється стаціонарне значення фотопроводимости D sо. а за темне - фотопровідність зменшується до нуля.

Якщо кінетика релаксації фотопровідності описується експоненціальним законом, то час життя носіїв заряду можна розраховувати за формулою:

де t1 - час, за який напруга на опорі RH при загасання фотопроводимости зменшується в два рази: Uo / U1 = 2 (Uo = Uст - Uт - напруга, відповідне стаціонарної фотопровідності). Час t1 вимірюється за шкалою осцилографа від моменту включення світла (див. Рис.3).

3. Порядок ВИКОНАННЯ РОБОТИ ТА ОБРОБКА
результатів вимірювань

1. Включити установку і підготувати осцилограф до роботи відповідно до його технічним описом.

2. Використовуючи «закритий» вхід осцилографа, отримати на екрані осцилографа стійку релаксаційну криву фотоструму, що спостерігається при освітленні зразка прямокутними імпульсами світла.

Вибором діапазону розгортки Тр і коефіцієнта відхилення променя До домогтися того, щоб крива наростання мала максимальний розмір. Початок кривої (т. А на рис.1) поєднати з перетином першої лівої і першої нижньої лінією шкали екрану. Замалювати криву наростання фотоструму на кальку, наклавши її на екран. Відзначити на кальці осі координат і ділення масштабної сітки шкали осцилографа. Записати коефіцієнт відхилення променя До і коефіцієнт розгортки Тр.

3. Використовуючи «закритий» вхід осцилографа, отримаєте на екрані осцилографа стійку релаксаційну криву фотоструму, що спостерігається при виключенні світла.

Вибором діапазону розгортки Тр і коефіцієнта відхилення променя До домогтися того, щоб крива наростання мала максимальний розмір. Початок кривої (т. Б на рис.1) поєднати з першої лівої лінією шкали, а першу нижню лінію поєднати з дотичній до кривої. Замалювати криву загасання фотоструму на кальку, наклавши її на екран. Відзначити на кальці осі координат і ділення масштабної сітки шкали осцилографа. Записати коефіцієнт відхилення променя До і коефіцієнт розгортки Тр.

При необхідності релаксаційні криві можна зняти по точкам, визначивши координати 7 ¸ 10 точок.

4. Використовуючи «відкритий» вхід осцилографа, виміряти кратність зміни струму напівпровідника при освітленні

Тут і струми, поточні через напівпровідник при освітленні і в темряві відповідно; і напруги на опорі навантаження, відповідні струмів і (див. рис. 3).

Для вимірювання кратності встановити при «закороченном» вході промінь на нижню поділ шкали осцилографа. Після підключення осцилографа до навантажувального опору (перемикач входу в положення «відкритий» вхід) зміною коефіцієнта розгортки отримати стійке зображення двох - трьох імпульсів фотоструму в межах шкали приладу і виміряти амплітуди і (рис.3) від нижнього поділки шкали осцилографа.

5. Визначити час життя нерівноважних носіїв заряду t і закон релаксації фотопровідності.

Для визначення закону релаксації і часу життя носіїв заряду побудуйте графіки залежності в полулогарифмических координатах, використовуючи отримані осцилограми. Для наростання фотоструму залежність можна на підставі рівнянь (1) і (3) привести до виду:

а для загасання фотоструму залежність на підставі рівнянь (2) і (3) привести до виду:

Тут і напруги на опорі RH. відповідні фотострумів насичення (t ® ¥) і поточного значення фотоструму в момент часу t; t1 і t2 - постійні часу наростання і загасання фотоструму відповідно [1].

Для побудови графіка необхідно виміряти міліметровою лінійкою координати t і U. замальованих на кальці кривих релаксації в 7 ¸ 10 точках, змінюючи значення t з кроком, відповідним 0,5 поділу або 1 ділення шкали осцилографа. Дані занести в таблицю 1 і таблицю 2.

Для визначення координат точок необхідно на кривих релаксації провести осі: вісь часу і вісь напруг паралельно лініям координатної сітки осцилографа. На кривій наростання фотоструму осі координат проходять через точку, відповідну включенню світла (т. А на рис.1). На кривій загасання фотоструму вісь напруги проходить через точку, відповідну виключення світла (т. Б на рис.1), а вісь часу збігається з дотичною до кривої релаксації в її нижній точці.

При лінійної рекомбінації носіїв заряду отримані графіки повинні мати вигляд прямої лінії, що проходить через початок координат (рис. 4).

6. Розрахувати постійні часу релаксації t1 і t2 за формулами:

Тут t1 і U1 - координати прямої лінії, певні поблизу її кінця.

7. Дані вимірювань і обчислень занести в таблицю 1 і таблицю 2.

Таблиця результатів 1

Визначення закону релаксації фотопровідності
при висвітленні напівпровідника

Коефіцієнт розгортки Тр =;

Порівняйте отримані постійні часу релаксації фотопровідності між собою. За час життя носіїв заряду прийняти постійну часу загасання фотопровідності.

4. ПИТАННЯ ДЛЯ ДОПУСКУ ДО РОБОТИ

1. Сформулюйте мету роботи.

1. Опишіть робочу установку і хід експерименту.

3. Опишіть порядок вимірювання кратності зміни фотоструму напівпровідника.

4. Опишіть порядок отримання кривих наростання і спаду фотопровідності на екрані осцилографа.

5. Поясніть, як за кривими релаксації фотопровідності визначити час життя носіїв?

6. Поясніть, як за отриманими осцилограмами фотопроводимости визначити закон релаксації?

5. ПИТАННЯ ДЛЯ ЗАХИСТУ РОБОТИ

1. Які напівпровідники називаються власними, домішковими? Поясніть енергетичну діаграму власного та домішкових напівпровідника (див. Опис лаб. Роб. № 401).

2. Яке явище називається фотопроводимостью? Які носії називаються нерівновагими?

3. Поясніть механізм власної та домішкової фотопровідності.

4. Яким виразом визначається червона межа фотопровідності власного та домішкових напівпровідника?

5. Запишіть формули, що описують кінетику релаксації фотопровідності, і поясніть що входять до них величини.

6. Дайте визначення часу життя неосновних носіїв заряду.

7. Поясніть процеси релаксації фотопровідності при висвітленні напівпровідника прямокутними імпульсами світла.