Методическое пособие к лабораторным работам по курсу «Материалы электронной техники» (стр. 4 )

У всех фоторезисторов постоянные времени по нарастанию и спада фототока не равны. В большинстве случаев значение ?н  превышает величину  ?сп  при определенном сопротивлении Rн. Постоянные времени ?н  и ?сп зависят от материала фоторезистора, освещенности E, сопротивления Rн, величины приложенного напряжения, окружающей температуры и характера освещения (частичное или полное освещение светочувствительного слоя).

Инерционность фоторезистора, характеризуемая постоянной времени ?, свидетельствует о скорости реакции фоторезистора на воздействие светового потока. Фотоэлектрическая инерционность приводит к тому, что, когда на светочувствительный слой фоторезистора падает переменный световой поток с частотой модуляции ?, фототок зависит от частоты модуляции светового потока (частотная характеристика фоторезистора). С увеличением частоты модуляции светового потока величина переменной составляющей фототока уменьшается в различной степени для разных типов фоторезисторов.

Проводятся также исследования полупроводникового фотоэлемента. Полупроводниковый фотоэлемент – это прибор с выпрямляющим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии.

Для исследования фоторезистора определения постоянной времени ? методом затухания фотопроводимости используется схема, представленная на рис.2.

Источником света в измерительной установке служит вольфрамовая лампа накаливания. Модулятор света представляет собой диск с вырезами, который вращается электромотором. Частота модуляции света определяется числом оборотов электромотора и числом вырезов в диске.

Порядок выполнения работы

Соберите схему установки (рис.2), получите на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую при освещении фоторезистора и фотоэлемента  прямоугольными световыми импульсами.

Рис.2. Схема измерительной установки.

Зарисуйте кривые релаксации фототока при освещении фоторезистора прямоугольными световыми импульсами и определите постоянную времени нарастания ?н и спада ?сп. По данным измерения ?сп оцените релаксационное (эффективное) время жизни носителей заряда в полупроводниковом материале фоторезистора. Исследуйте зависимость релаксационной кривой от расстояния между осветителем и фотоэлементом (фоторезистором). Постройте зависимость постоянной времени нарастания ?н  и спада ?сп, а также интенсивности кривой релаксации от расстояния между осветителем и фотоэлементом.

Контрольные вопросы.

В чем заключается явление фотопроводимости? Какие носители заряда называются равновесными, и какие неравновесными? Каким образом в полупроводнике можно создавать неравновесные носители заряда? Перечислите механизмы поглощения света в полупроводниках. Какие из них являются фотоактивными и почему? Назовите механизмы рекомбинации носителей заряда в полупроводниках? В чем отличие рекомбинационных ловушек от ловушек захвата? Что такое время жизни неравновесных носителей заряда? Каков физический смысл понятия «квантовый выход»? Почему при определении постоянной времени нарастания ?н и спада ?сп используется величина в 63% от установившегося значения тока? Что такое фотоэлемент и фоторезистор?

Литература.

Практикум по физике полупроводников. Под ред. :Уч.  пособие. – М: Высшая школа, 1968. - 234 с.   Физика полупроводников: Учебник. – М: Энергоатомиздат, 1985. -  498 с. , Материалы электронной техники: Учебник - СПб.: Изд. «Лань», 2002. - 368 с.

Лабораторная работа №3

Определение концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда.

Цель работы: определение концентрации, знака и холловской подвижности основных носителей заряда в полупроводниках на основании измерений эффекта Холла. Измерения проводятся при постоянном магнитном поле на образцах германия.

При одновременном действии магнитного и электрического поля на свободные носители заряда в твердом теле возникают вторичные явления, называемые гальваномагнитными. Эффект Холла является одним из наиболее важных среди этих явлений, с помощью которого можно определять ряд параметров полупроводника.

Движение заряда в магнитном поле.

На носители с электрическим зарядом е, движущимся со скоростью в магнитном поле , действует сила Лоренца

    (1)

Направление этой силы зависит от знака носителей заряда е и векторного произведения скорости на вектор напряженности магнитного поля . Если ? , то под действием силы Лоренца произойдет отклонение носителей тока в направлении, перпендикулярном и , т. е. направление векторов будет таким, как показано на рис.1. Произойдет пространственное разделение носителей заряда, а это приведет к появлению электрического поля. В стационарном состоянии электрическая сила , действующая на заряд, будет равна силе Лоренца

    (2)

где - магнитная индукция, ? - относительная  магнитная проницаемость материала образца, ?0 - магнитная постоянная.

Если концентрация движущихся носителей заряда равна n и все они имеют отрицательный заряд, то образовавшееся электрическое поле можно представить через плотность тока , (S - площадь образца) в виде

Рис.1. Эффект Холла в твердом теле.

    (3)

В этом выражении  - постоянная Холла или коэффициент Холла.

Явление образования электрического поля и соответствующей ему разности потенциалов при помещении образца, по которому протекает электрический ток, в магнитное поле называют эффектом Холла. Явление было открыто в 1879 г. на образце из металла. При рассмотрении вопроса считалось, что . В реальных условиях скорость носителей заряда не постоянна. При более строгом рассмотрении вопроса необходимо учесть статистическое  распределение носителей заряда по скоростям. Более строгое описание эффекта Холла основывается на решении кинетического уравнения Больцмана.

       

Эффект Холла в полупроводниках.

Эффект Холла  является одним из гальваномагнитных эффектов. Действие магнитного и электрического полей на носители электрического заряда зависит от величины напряженности полей. При измерении эффекта Холла применяются слабые электрические и магнитные поля, т. е. действие электрического поля с напряженностью Е не должно приводить к изменению температуры образца за счет выделяемого в образце диполевого тепла.

Сущность эффекта Холла заключается в следующем. Если пластину полупроводника, по которой проходит электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное току и магнитному полю, возникнет разность потенциалов. Последняя получила название э. д.с. Холла.        

Появление  э. д.с. Холла обусловлена тем, что на носители заряда, движущиеся со скоростью  , в магнитном поле с индукцией действует сила Лоренца (1),отклоняющая их к одной из боковых граней пластины. Направление действие силы Лоренца можно определить  по известному правилу левой руки, относя его к техническому направлению тока.

С учетом того, что    и         

  (4)

Отсюда следует, что направление силы Лоренца не зависит от знака носителей заряда, а определяется лишь направлениями электрического и магнитного полей. При заданных направлениях и электроны и дырки в полупроводниках отклоняются в одну и ту же сторону. Поэтому полярность э. д.с. Холла в полупроводнике n – типа оказывается противоположной полярности, получаемой в материале p – типа, что и используется для определения типа электропроводности полупроводников.