Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

« Петербургский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Физика»

Исследование фоторезистора

Методические указания к лабораторной работе № 329

САНКТ- ПЕТЕРБУРГ 2007

Целью работы является изучение:

• вольт-амперных характеристик фоторезистора;

• световых характеристик фоторезистора.

Краткие сведения о фотопроводимости

Фотопроводимостью называется изменение электропроводности вещества под действием электромагнитного излучения. При отсутствии освещения темновая проводимость полупроводника обусловлена сво­бодными носителями заряда (электронами и дырками), которые образуют­ся за счет энергии тепловых колебаний кристаллической решетки. Осве­щение увеличивает электропроводность полупроводника, т. к. появляются дополнительные свободные носители заряда. Они возникают вследствие поглощения излучения веществом. Поглощение кванта излучения, приво­дящее к переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости (пе­реход 1 на рис. 1), называют собственным поглощением (а сам переход межзонным). Каждый электрон, ушедший из валентной зоны, оставляет в ней вакантное место – дырку. Таким образом, собственная фотопроводи­мость определяется генерированными светом свободными электронами и дырками. Энергия поглощаемых фотонов

не может быть меньше, чем ширина запрещенной зоны :

,

где h – постоянная Планка;

– частота электромагнитного излучения;

с – скорость света в вакууме;

– длина волны излучения.

Пороговая частота , с которой начинается собственная фо­топроводимость, определяет ее длинноволновую границу

.

а)

E_n

б)

Рис. 1. Собственное и примесное поглощение света:

1 – собственное поглощение; 2 – примесное поглощение; E_с – энергия нижнего края (дна) зоны проводимости; E_v – энергия верхнего края (потолка) валентной зоны;

E_g – ширина запрещенной зоны; Е₂ – энергетический уровень донорной примеси

Поглощение света, приводящее к ионизации или возбуждению при­месных атомов кристалла, называют примесным поглощением. Для иони­зации атома примеси фотон должен обладать энергией

.

Если примесный атом является донором (рис. 1), то Е_п – минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости (переход 2). При ионизации атомов донорной примеси образуются свободные электроны, а атомы примеси превращаются в положительно заряженные ионы. В случае акцепторной примеси примесный уровень лежит вблизи верхнего края валентной зоны, и для возбуждения фотопроводимости необходимо сообщить энергию электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень. В результате в валентной зоне образуется свободная дырка, а атом примеси превращается в отрицательно заряженный ион.

Поскольку величина Е_п меньше ширины запрещенной зоны (см. рис. 1, а), пороговая частота примесной фотопроводимости ока­зывается меньшей, чем , а соответствующая длинноволновая граница сдвигается в сторону больших длин волн.

Проводимость полупроводника при наличии освещения превос­ходит значение темновой проводимости на величину , то есть

.

Значение фотопроводимости возрастает с увеличением кон­центрации генерированных светом свободных носителей заряда. Кроме того, фотопроводимость зависит от подвижности этих носителей. Если подвижность свободных носителей заряда мала, то незначительна и ве­личина .

На графике (рис. 1, б) приведена зависимость фотопроводимости от длины волны облучения (I – область собственной фотопроводимости; II –область примесной фотопроводимости).