Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

где K называют квантовым выходом фотоэффекта, gф – интенсивностью

фотогенерации. Освещенность E, определяемая как количество энергии, па-дающей на единицу площади поверхности S, при облучении монохроматиче-ским светом, пропорциональна потоку dN ф dt фотонов

= h dNф S dt

Отсюда интенсивность фотогенерации

g	ф	= KSE hν

(14.2)

также пропорциональна падающему световому потоку = ES

Как отмечалось ранее, одновременно с процессом генерации свободных электронов идет процесс рекомбинации электронов и дырок, т. е. возвраще-ние электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Рекомбинация электронов и дырок сопровождается уменьшением концен-трации свободных носителей зарядов. Скорость рекомбинации пропорцио-

α

– коэффициент рекомбинации.

Таким образом, концентрация фотоэлектронов (дырок) n и фотопро-водимость σф пропорциональны E γ , где 1 2 γ 1 . Коэффициент γ можно

определить экспериментально по зависимости стационарного фототока в по-лупроводнике от его освещенности E, так как фототок пропорционален кон-центрации носителей заряда.

96

Исследуемые закономерности

Рис. 14.3. Устройство

фотосопротивления.

Объектом исследования является фотосо-противление (рис. 14.3) – тонкий слой 1 полупро-водникового материала, нанесенный на изолиру-ющую пластинку 2. На краях слоя расположены электроды 3. Вся конструкция монтируется в пластмассовый корпус 4.

При отсутствии освещения в цепи протекает темновой ток I_т , зависящий от приложенного

напряжения и темнового сопротивления. При освещении ток темнового тока Iт . Разность Iф = I − Iт составляет фототок.

I

в цепи больше

Характеристиками фотосопротивления являются интегральная чувстви-тельность, зависимость чувствительности от длины волны падающего излу-чения (спектральная характеристика) и от освещенности (световая характе-ристика), рабочее напряжение, темновое сопротивление.

Интегральная чувствительность в общем случае вычисляется как отно-шение фототока Iф к освещенности E: = I ф E .

Если фотосопротивление используется для регистрации видимой части спектра, чувствительность выражают в амперах (чаще микроамперах) на люмен. Поскольку чувствительность фотосопротивления зависит от спектрального соста-ва падающего излучения, при определении чувствительности необходимо указы-вать, каким источником создавалось излучение. Для определения чувствительно-сти фотосопротивления в видимой части спектра источником излучения обычно служит лампа накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2840 К.

Величина фототока зависит не только от лучистого потока, но и от при-ложенного напряжения U, поэтому при задании чувствительности необходи-мо пользоваться понятием удельной чувствительности

	= I	ф	( U)=I	ф
U

(SEU )

,

(14.3)

где = SE – световой поток, падающий на фотосопротивление, S – его поверхности, E – ее освещенность. Для точечного источника

площадь

где J – сила света источника. Поэтому зависимость фототока от освещенно-сти может быть представлена как

Iф =Uф	R =UфSσф	l = CE	γ	= C(J	r	2	)	γ	= C1r	−2γ	,

где S – площадь сечения полупроводникового слоя, l – расстояние между электродами, C₁ = CJ ^γ . Логарифмируя полученное выражение придем к ли-нейной зависимости

97

наименьших квадратов (МНК). При некотором расстоянии r₀ фототок будет

иметь значение Iф0 . Эти величины связаны соотношением ln Iф0 =

= −2 γ ln r0 + ln C1. Взяв разность двух уравнений, получим следующую связь

между фототоком I_ф и расстоянием r между фотосопротивлением и источ-ником света ln I _ф I _ф0 = −2γ ln r r₀ . Используя это соотношение можно со-здать выборку параметра γ : γ = −(ln I ф I ф0 ) (2ln r r0 ) и найти γ = γ γ .

Указания по подготовке к работе

Подготовить протокол эксперимента и занести в него таблицы по форме 14.1–14.3. Таблиц по форме 14.3 должно быть две, для напряжений на фото-сопротивлении U=10 В и U=15 В.

Указания по выполнению работы

Прикрыть шторкой фотосопротивление и снять вольтамперную харак-теристику темнового тока Iт , изменяя напряжение U на фотосопротивлении

от 0 до 15 В через 2 В. Результаты измерений занести в табл. 14.1. Установить фотосопротивление на расстоянии r = 20 см от лампы, под-

нять шторку и снять вольтамперную характеристику фототока I_ф , от напря-

жения U, изменяя напряжение от 0 до 15 В. Результаты измерений занести в табл. 14.1. Подобные измерения сделать также для расстояния r =10см .

r, см

20

10

Темновой, I_т

При освещении,I

_{Фототок, Iф = I − I}т

	Темновой, Iт
2500	При освещении, I

Фототок, I_ф = I − I_т

98

Таблица 14.2

Световые характеристики фотосопротивления

(J = 25кд)