Фотопроводимость

Цель работы:

Изучить явление фотопроводимости для собственных полупроводников. Найти постоянную времени жизни возбужденного состояния.

Оборудование и материалы:
осциллограф с функцией памяти;
источник питания (10 ÷ 30) В;
фотодатчик (фотодиод, резистор);
образец полупроводника;
резистор R ≃ 100 кОм;
фотовспышка.

Теоретическое введение

Энергии электронов в макроскопическом объеме полупроводника подчиняются статистике Ферми—Дирака — симметрично распределены относительно уровня Ферми. При температуре абсолютного нуля электроны собственного полупроводника полностью (в смысле принципа запрета Паули) занимают энергетические зоны ниже уровня Ферми; верхнюю из этих зон называют валентной зоной. Проводимость в этом случае равна нулю.

Внешние воздействия — нагрев, поглощение фотонов — сообщают электронам дополнительную энергию, позволяя части из них пересечь запрещенную зону и перейти из валентной зоны в нижнюю из лежащих выше уровня Ферми зон — зону проводимости. Поскольку эта зона не является полностью заполненной, электроны получают возможность перемещаться по полупроводнику и, следовательно, дают ненулевую проводимость. Равный вклад в проводимость дают и освободившиеся в валентной зоне свободные квантовые состояния — дырки.

Воздействие света высокой интенсивности — прямых солнечных лучей, импульса фотовспышки — существенно увеличивает проводимость собственного полупроводника. Измерив временну́ю зависимость спада фотопроводимости можно найти постоянную времени жизни возбужденного состояния.

Порядок выполнения работы

  1. Записать номер образца.

  2. Включить образец в электрическую цепь в качестве одного из плеч делителя; другим плечом взять резистор сопротивлением порядка 100 кОм (т. е. обеспечить коэффициент деления порядка ½.)

  3. Подключить к выходу делителя осциллограф с функцией памяти. (Для возможности регистрации одиночного импульса.)

  4. Подключить к другому входу осциллографа фотодатчик, состоящий из параллельно включенных фотодиода и резистора (≃ 10 кОм — для ускорения разрядки собственной емкости фотодиода.) Настроить синхронизацию с этим входом.

  5. Подать на делитель напряжение (10 ÷ 30) В (в зависимости от размеров и собственной проводимости образца, а равно чувствительности осциллографа). Удостовериться в наличии постоянного напряжения на выходе делителя.

  6. Перевести осциллограф в режим ожидания синхроимпульса.

  7. Перевести полупроводник в возбужденное состояние импульсом света от фотовспышки. Удостовериться в экспоненциальном характере затухания фотопроводимости (в противном случае — повторить с меньшей интенсивностью.) Зафиксировать полученную зависимость.

Обработка результатов измерений

  1. Используя уравнение делителя (ниже), найти по измеренным значениям напряжения U проводимость образца полупроводника σ = R−1.

    UinRout = Uout (Rcom + Rout).

  2. Аппроксимировав зависимость проводимости σ, См от времени t, с экспоненциальной функцией ниже, найти значение постоянной времени жизни возбужденного состояния τ, с.

    σ = σ0 [1 + α exp (t ∕ τ)].

  3. Проверить по графику, что за найденное τ время «добавочная» проводимость действительно убывает в e раз.

Литература

  1. Band gap // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Band_gap
  2. Carrier generation and recombination // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_generation_and_recombination
  3. Electronic band structure // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure
  4. Fermi–Dirac statistics // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Fermi–Dirac_statistics
  5. The Minority Carrier Lifetime in Silicon Wafer / Stefano Meroli. URI: http://meroli.web.cern.ch/Lecture_lifetime.html
  6. Semiconductor // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor
  7. Valence and conduction bands // Wikipedia. URI: http://en.wikipedia.org/wiki/Valence_and_conduction_bands