Проведение измерений и обработка результатов

1. Измерить яркостные температуры вольфрамового элемента лампы накаливания и ток через лампу для нескольких значений напряжения на лампе.

2. Произвести перерасчёт яркостных температур в истинные, построив предварительно график зависимости Т от Т_Я.

3. Рассчитать энергетические светимости вольфрамового элемента.

4. Построить график зависимости от Т⁴.

5. Если зависимость близка к линейной, то определить тангенс угла наклона tgφ.

6. Оценить величину постоянной Стефана - Больцмана.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое тепловое излучение?

2. Что такое лучеиспускательная способность тела?

3. Дать определение энергетической светимости тела

4. Что такое степень черноты тела?

5. Какое тело называют абсолютно чёрным?

6. Дать определение яркостной температуры и рассказать, почему она отличается от истинной.

7. Сформулировать закон Стефана – Больцмана.

8. Рассказать об измерении яркостной температуры оптическим пирометром.

9. Как, зная яркостную температуру вольфрама, найти температуру истинную?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШИРИНЫ ЗАПРЕЩЁННОЙ ЗОНЫ

ПОЛУПРОВОДНИКА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

СПЕКТРА ПРОПУСКАНИЯ

Цель работы: 1. Ознакомление с устройством однолучевого спектрофотометра SPECOL-20.

2. Определение ширины запрещённой зоны полупроводника по зависимости коэффициента пропускания от длины волны излучения.

Приборы: однолучевой спектрофотометр SPECOL-20.

Теоретические сведения

С точки зрения происходящих процессов полупроводники в значительной степени подобны кристаллическим диэлектрическим твёрдым телам, то есть оптические явления в них также обусловлены взаимодействием излучения со связанными носителями заряда, атомами кристаллической решётки и примеси.

Если энергия квантов hv падающего света превышает ширину запрещённой зоны полупроводника, то поглощение излучения в основном обусловлено переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости (процесс 1 на рис. 45). При этом создаются дополнительные свободные носители заряда – увеличивается концентрация подвижных электронов и дырок. Это явление называется внутренним фотоэффектом, а область длин волн, соответствующая энергиям фотонов, превышающим ширину запрещённой зоны – собственной полосой поглощения материала.

При облучении возможны также процессы, приводящие к повышению концентрации только одного типа свободных носителей заряда, электронов или дырок. Это происходит при наличии глубоких примесных уровней с энергиями Е_пр в запрещённой зоне полупроводника (рис. 50). Если энергия квантов света больше разности энергий Е_в и Е_пр, электроны примесных уровней Е_пр переходят в зону проводимости (переходы 2 на рис. 50) При этом число дырок в валентной зоне остаётся неизменным.

Рис. 50

Если же, поглощая энергию света, электроны переходят из валентной зоны на примесные уровни Е_пр (переходы 3 на рис. 45), то увеличивается лишь концентрация дырок в валентной зоне, а число электронов в зоне проводимости не изменяется. Следует отметить, что поглощение излучения за счёт переходов электронов с участием глубоких уровней Е_пр значительно меньше поглощения, соответствующего собственной полосе (рис. 51).

Рассмотренные механизмы поглощения, приводящие к появлению свободных носителей заряда, называются фотоактивными. Существует также целый ряд механизмов поглощения, не сопровождающихся появлением свободных носителей заряда. Это, прежде всего, экситонное поглощение и поглощение свободными носителями заряда.

Рис. 51

Экситонное поглощение энергии кванта представляет собой такой вид возбуждения связанного электрона, при котором он не отрывается от атома, а лишь переходит на один из незаполненных уровней, оставаясь в непосредственной близости от своего атома. При этом свободные носители заряда не возникают, и электропроводность кристалла не изменяется.

Излучение может быть также поглощено свободными электронами. Этот вид поглощения наблюдается в сильнолегированных полупроводниках с очень высокой концентрацией свободных носителей заряда. Под действием электромагнитного излучения свободные электроны совершают колебательные движения. Если в процессе этих колебаний электрон испытывает столкновения с атомами кристаллической решётки, то он передаёт ей энергию электромагнитного поля. Вероятность поглощения свободными электронами возрастает с уменьшением частоты падающего излучения, то есть проявляется в инфракрасной области спектра. На рис. 51 приведена качественная зависимость коэффициента поглощения полупроводника от длины волны.

Участок 1 кривой поглощения соответствует полосе собственного поглощения, обусловленной межзонными переходами. Максимумы 2, 3, 4 вызваны экситонным (2) и примесным (3, 4) поглощением. Штриховая линия 5 соответствует поглощению свободными носителями заряда. Из рисунка видно, что основной вклад в поглощение света вносит собственное поглощение, а остальные механизмы проявляются лишь в длинноволновой области спектра.

Таким образом, собственный или слаболегированный полупроводник почти не поглощает излучение с энергией фотонов меньше ширины запрещённой зоны полупроводника. При этом коэффициент пропускания остаётся достаточно большим и постоянным. Когда энергия фотонов достигает ширины запрещённой зоны (край полосы собственного поглощения), электроны валентной зоны, получая достаточную энергию, переходят в зону проводимости, и поглощение энергии излучения резко возрастает. Соответственно коэффициент пропускания резко уменьшается. Энергия фотона связана с длиной волны излучения соотношением

, (1)

где h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме. Поэтому, определив по резкому падению коэффициента пропускания длину волны λ края полосы собственного поглощения, можно рассчитать соответствующую энергию фотонов, равную ширине запрещённой зоны исследуемого полупроводника.