Министерство сельского хозяйства российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Кафедра физики

Лаборатория оптики и физики атома №2 (012)

РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ И СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕЛЕНОВОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Переработано: профессор Ульянов А.И.

ассистент Воронцова Е.Н.

Ижевск, 2011

РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ И СПЕКТРАЛЬНОЙ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕЛЕНОВОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Приборы и принадлежности: 1) селеновый фотоэлемент, 2) электрическая лампа, 3) оптическая скамья со стойками для фотоэлемента и лампы, 4) микроамперметр, 5) вольтметр, 6) светофильтры.

Энергетические зоны в кристаллах

Электроны в изолированном атоме имеют дискретные значения энергии,

которая определяется набором из четырех квантовых чисел: n, ℓ, m и s.

В электрическом и магнитном полях энергетические уровни расщепляются.

Рис. 1

В твердом теле атомы находятся близко, действуют друг на друга электрическими и магнитными полями, образуя единую квантовую систему, содержащую огромное количество (10²³ моль^-1) атомов и электронов. Теория гласит: если в кристалле N атомов, то каждый уровень энергии, характерный для отдельного атома, расщепляется на N подуровней. Зафиксируем расщепление энергетических уровней на расстоянии d (постоянная решётки), равном межатомным расстояниям в кристалле. Рассмотрим расщепление энергетических уровней только внешнего, валентного электрона, находящегося в основном и возбужденном состояниях (рис. 1). Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон,

называется валентной зоной.

Совокупность дискретных энергетических уровней, на которых может находиться валентный электрон в возбуждённом состоянии, когда к нему подведут энергию, называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона, в которой электрон находиться не может. Ширина запрещённой зоны E_g составляет для разных материалов E_g = (0  10) эВ, для полупроводников E_g ≈ (0,11) эВ. Соседние энергетические уровни находятся на очень малых расстояниях друг от друга ∆Е = 10^-22 эВ. В зоне на каждом энергетическом уровне в соответствие с принципом Паули может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами.

Собственные полупроводники

E_g ≈ 0,1 эВ

Рис. 2

а)

1

В полупроводниках валентная зона заполнена электронами полностью (рис. 2а). Однако энергии теплового движения даже при комнатной температуре (300 К) достаточно для переброса части электронов из валентной зоны

через запрещенную зону в зону проводимости (пунктирная стрелка на рис. 2б). В результате в зоне проводимости появляется небольшое число электронов (1), которые под действием даже небольшого внешнего электрического поля могут изменять свою энергию, переходя на соседний уровень, то есть могут двигаться и проводить электрический ток. Кроме того, переход электрона в зону проводимости означает образование пустого места в валентной зоне (2), которое называют дыркой. Наличие дырки также приводит к проводимости, так как теперь электрон (3) под действием электрического поля может приподняться, то есть получить дополнительно кинетическую энергию. Дырка ведёт себя, как пузырёк в воде, который двигается в сторону, противоположную силе тяжести. Аналогично дырка в электрическом поле движется в сторону, противоположную движения электрона, т.е. ведёт себя как положительный заряд. Полупроводники в которых носителями тока являются электроны и дырки, называют собственными полупроводниками.

Рис. 3

Если собственный полупроводник имеет ширину запрещённой зоныE_g ≈ 1 эВ, то энергии теплового движения при комнатной температуре уже недостаточно для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Однако, если такой полупроводник осветить светом, энергия квантов которых достаточно для такого переброса (hν > E_g), то в полупроводнике появятся свободные электроны и дырки (рис. 3), обеспечивающие проводимость, которую называют фотопроводимостью. Это явление - внутренний фотоэффект.

При внутреннем фотоэффекте валентные электроны под действием света только освобождаются от связи с ионами, но не покидают пределы кристалла в отличие от внешнего фотоэффекта, когда электроны выбрасываются наружу.