Эффект увлечения носителей заряда фотонами
Этот эффект обусловлен передачей импульса фотонов свободным электронам или дыркам в полупроводнике. Эффект увлечения электронов фотонами экспериментально обнаружен в 1958г.
Хотя значение импульса фотона 
очень мало, но все же оно принципиально отлично от нуля. Поэтому, взаимодействуя со свободными носителями заряда, фотон передает им свой импульс, приводя к переносу носителей в направлении распространения света. В результате между контактами на стороне образца, через которую производится освещение и на противоположной стороне возникает разность потенциалов, которая называется ЭДС фотонного увлечения.
Хотя ЭДС фотонного увлечения невелика ( 
), эффект фотонного увлечения обладает двумя существенными положительными факторами.
Во-первых, он малоинерционен, поскольку время релаксации импульса порядка 10-12с.
Во-вторых, взаимодействие со свободными носителями заряда осуществляется в очень широком спектральном диапазоне, включая дальнюю инфракрасную область. Поэтому этот эффект может быть использован в инфракрасной и даже субмиллиметровой областях спектра. Важно, что такие приемники могут работать при комнатной температуре.
Экспериментальная часть
Методика измерений
Принципиальная схема установки с прерывистым (импульсным) освещением приведена на рис.3. Источником прерывистого света служит светодиод, через который пропускается импульсный ток от генератора прямоугольных импульсов Г5-54. Последовательно с образцом (фоторезистором ФСА-1) включены: источник питания ЛИПС-30 с постоянным напряжением U и нагрузочное сопротивление R. При освещении образца импульсным светом сопротивление фоторезистора из-за возникновения в нем фотопроводимости меняется с частотой следования световых импульсов. В результате ток в цепи фоторезистора имеет постоянную и переменную составляющие. Падение напряжения на сопротивлении R (вернее, его переменная составляющая v) регистрируются осциллографом С1-67.
|
|
|
Рис.3. Схема измерений
Найдем соотношение между переменным напряжением v(t), поступающим на вход осциллографа, и фотопроводимостью 
. Для этого обозначим: изменение сопротивления образца при освещении через 
, ток в темноте JТ и ток при освещении JСВ.
Тогда
но
следовательно,
отсюда
| (26) |
Чтобы перейти от к удельной фотопроводимости 
, найдем сначала соотношение между и полной фотопроводимостью (S – площадь сечения фоторезистора, а 
- его длина):
Отсюда
| (27) |
Вычислим 
:
| (28) |
Таким образом, в общем случае связь между сигналом v и фотопроводимостью , как видно из (28) нелинейна и достаточно сложна (для вычисления 
надо, кроме U и R, знать также темновое сопротивление образца r0).
|
|
|
В некоторых частных случаях эта связь упрощается. Например, если использовать малое сопротивление нагрузки 
, то (28) превращается в
откуда
| (29) |
Режим малого нагрузочного сопротивления, в котором осуществляется линейная связь между фотопроводимостью и сигналом, обычно называют режимом «постоянного поля», так как при малом R освещение образца не приводит к существенному перераспределению электрического поля между образцом и нагрузочным сопротивлением и, следовательно, поле в образце сохраняется неизменным.
В настоящей работе мы будем изучать кинетику релаксации фотопроводимости для случая малой световой инжекции (линейной рекомбинации) в режиме постоянного поля. В этом случае окончательные уравнения, описывающие наблюдаемую на экране осциллографа релаксационную кривую, можно записать следующим образом:
| (30) |
для участка кривой, соответствующего нарастанию фотопроводимости, и
| (31) |
для участка кривой, соответствующего спаду фотопроводимости.
|
|
|
2.2. Задание
1. Установить необходимое фотосопротивление в боксе. Для этого снимите верхнюю половину бокса, придерживая рукой нижнюю часть. Вставьте фотосопротивление в гнездо и закройте бокс.
2. Соберите электрическую схему для изучения кинетики фотопроводимости (рис.3).
3. Установите примерные режимы наблюдения релаксационной кривой по варианту, данному преподавателем (см. таблицу).
Таблица. Условия, необходимые для получения устойчивого изображения релаксационной кривой.
| Вариант | 1 | 2 | 3 |
| Г5-54: Частота импульсов Длительность импульса Максимальная амплитуда | 100 Гц 1 мс 40 В | 150 Гц 0,7 мс 40 В | 200Гц 0,5 мс 40 В |
| ЛИПС-30: Напряжение | 30 В | 30 В | 30 В |
4. Включите осциллограф С1-67, генератор Г5-54 и источник питания ЛИПС-30. Получите устойчивую картину фотонапряжения, использую внешнюю синхронизацию отрицательным перепадом. Временной сдвиг 1 мс.
5. Приложите к экрану осциллографа кальку и зарисуйте форму релаксационной кривой фотопроводимости и особо спад фотонапряжения, отметив точками через 5 мм координаты по горизонтали и по вертикали. Выключите аппаратуру.
|
|
|
6. Совместите рисунок на кальке с миллиметровой бумагой и перенесите точки через 5 мм по оси X на миллиметровую бумагу.
7. Составьте таблицу данных: фотонапряжение v(t) (в вольтах) – время (в секундах). Точки брать через 5 мм по оси X. Найти ln v(t).
8. Построить график зависимости ln v(t)=f(t). Если в координатах
(ln v(t), t) экспериментальные значение ложатся на прямую, то это свидетельствует о справедливости уравнения (31), описывающего внутренний фотоэффект.
9. По тангенсу угла наклона полученной графической зависимости определить время жизни 
.
10. По отрезку, отсекаемому прямой на оси ординат, определить скорость генерации G для фотосопротивления ФСА-1. При расчете G пользоваться следующими данными:
S=7.5·10-5 см2, l=0.4 см, R=90 кОм, 
=500 
.
Контрольные вопросы
1. Какие явления в полупроводниках относятся к кинетическим?
2. Назовите основные термоэлектрические и гальваномагнитные эффекты.
3. По какому признаку эффекты относят к продольным или поперечным?
4. Дайте определение скорости генерации.
5. Какие процессы поглощения являются фотоэлектрически активными?
6. В чем состоит сущность явления фотопроводимости?
7. Дайте определение удельной фотопроводимости полупроводника.
8. Какие носители заряда в полупроводнике и почему называются неравновесными носителями?
9. Дайте определение удельной фоточувствительности.
10. Что следует понимать под временем жизни неравновесных носителей заряда?
11. Дайте определение квантового выхода фотоэффекта.
12. Какие эффекты относятся к фотовольтаическим?
13. Назовите основные фотовольтаические эффекты и объясните их сущность.
14. Дайте определение коэффициента поглощения.
15. Что такое монополярная фотопроводимость?
Литература
1. Шалимова К.В. Физика полупроводников. – М.: Энергоатомиздат, 1985. - С.357-370
2. Киреев П.С. Физика полупроводников. – М.: Высш. школа, 1975, - С.537-559
3. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.: ГИФМЛ, 1983, - С.15-40
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 101; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!