Додаткові теоретичні відомості. Фотоефект - явище, «звільнення» електронів твердого тіла від зв'язків усередині атома під дією електромагнітного випромінювання.

Фотоефект - явище, «звільнення» електронів твердого тіла від зв'язків усередині атома під дією електромагнітного випромінювання.

Електрони, що вилітають із речовини при зовнішньому фотоефекті, називаються "фотоелектронами ", а електричний струм, який утворюється ними при упорядкованому русі у зовнішньому електричному полі, називається "фотострумом.

Види фотоефекту:

1) зовнішній фотоефект (фотоелектронна емісія) - випромінювання електронів з поверхні твердого тела під дією світла, гамма - випромінювання і т. і. (відкритий Г. Герцем у 1887, пояснений Ейнштейном);

2) внутрішній фотоефект – перерозподіл електронів за енергетичними станами в твердих та рідких напівпровідниках та діелектриках, який спричиняється світлом. Він проявляється у зміні концентрації носіїв струму у середовищі і призводить до виникнення фотопровідності;

3) вентильний фотоефект - збудження світлом ЕРС на межі поділу метал - напівпровідник або між різнорідними напівпровідниками. При вентильному фотоефекті фотоелектрони виходять через поверхню поділу з одного тіла в інше.

Теоретичне пояснення явища фотоефекта дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті. Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

Квантова природа світла визначає світловий потік фотонів (квантів). Кожен фотон має масу, імпульс і дискретну енергію тільки при швидкості світла.

Енергія фотона по Планку визначається так званою формулою Планка:

Рівняння Планка має вигляд:

h- стала Планка

ν- частота світла

Енергію фотона речовина повістю поглинає або повністю випромінюють. Ця величина неділима. Енергія фотона по Енштейну:

m_ф –це маса фотона, що визначається формулою:

ν – частота світла, визначається за формолою:

Імпульс фотона можна визначити:

- імпульс фотона.

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Це рівняння називається рівнянням Ейнштейна. Робота Ейнштейна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.

Для виконання повного фотоефекту енергій фотона поглинаються електроном, що дає йому можливість виконати роботу виходу за межі речовини та надати йому енергії необхідної для проходження від катода до анода.

Червона границя фотоефекту. Мінімальна умова при якій може відбутися фотоефект:

умова, при якій енергії фотона достатньо, щоб виконати роботу виходу.

Причина фотопровідності - збільшення концентрації носіїв заряду - електронів у зоні провідності і дірок у валентній зоні. Світлочутливий шар напівпровідникового матеріалу в таких опорах поміщений між двома струмопровідними електродами. Під впливом світлового потоку електричний опір шару змінюється. У залежності від застосовуваного шару напівпровідникового матеріалу фотоопору підрозділяються на сірко свинцеве , сірко кадмієве, сірковістмутове і полікристалічні селено-кадмієві . При певному освітленні опір фотоелемента зменшується, а,отже, сила струму в колі зростає, досягаючи значення, достатнього для роботи якого-небудь пристрою (схематично показано у вигляді деякого опору навантаження).

Завдяки простоті і надійності, високій чутливості і малим розмірам фоторезистори знаходять широке застосування в приладобудуванні і технології виробництва. Їх використовують як фотоелектричні перетворювачі вимірювальних пристроїв, фотоелектричні реле, регуляторів і т.п. Фотоелектричні реле на основі фоторезисторів використовуються для захисту від травмування рук робітників, обслуговуючих штампувальні преси з електропневматичним управлінням, в охоронних пристроях для захисту ділянок території від проникнення сторонніх осіб, для контролю розмірів, кольору і якості поверхні різних виробів, для лічби деталей на конвеєрі і т.п.

Оскільки експериментально квантовий вихід визначити складно, інтегральну чутливість визначають як відношення величини відносної зміни опору фоторезистора до приросту потоку енергії випромінювання, що викликав цю зміну:

де - опір чутливого шару фоторезистора під час опромінювання його потоком (визначається для середнього значення потоку в проміжку ).

На малюнку показано залежність :

Оскільки залежність від нелінійна, то інтегральну чутливість η фоторезистора, як правило, визначають на різних ділянках залежності, наприклад, на ділянках 1, 2, 3.

Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, провідність яких змінюється під дією світла. Основним елементом фоторезистора є у першому випадку монокристал, а в другому - тонка плівка напівпровідникового матеріалу.

Якщо фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги і не освітлений, то в його колі буде протікати темнової струм

Iт = E / (Rт + Rн), де Е - е.р.с. джерела живлення;R_т-величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темнового опору; R_н-опір навантаження.

При висвітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-діркових пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм:

I_с = E / (R_с + R_н).

Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму I_ф, що отримав назву первинного фотоструму провідності

I_ф = I_с-ІТ.

Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променистого потоку, що падає на фоторезистор. У міру зростання величини променистого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись всередині речовини, електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що отримав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. У результаті цієї зміни фотоструму запізнюються у часі щодо змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.

Завдяки простоті і надійності, високій чутливості і малим розмірам фоторезистори знаходять широке застосування в приладобудуванні і технології виробництва. Їх використовують як фотоелектричні перетворювачі вимірювальних пристроїв, фотоелектричні реле, регуляторів і т.п.

Лабораторна робота №10
«Зняття вольт-амперної характеристики напівпровідниковогодіоду»

Мета роботи: вивчення напівпровідників та їх властивостей; застосування напівпровідникових діодів.

Теоретична частина.Усі речовини за їх електропровідними властивостями поділяються на три групи: провідники, напівпровідники та ізолятори.

Провідники - це метали та їх сплави.

Ізолятори (діелектрики ) - це мінерали, неорганічні аморфні тіла, синтетичні сполуки, полімери тощо.

Напівпровідники - це деякі хімічні елементи, окиси металів, хімічні сполуки.

В напівпровідниках можливі два механізми (типи) електропровідності: електронний, що здійснюється рухом електронів , звільнених з хімічних зв'язків і дірковий, обумовлений рухом дірок (вакансій хімічних зв'язків ).

Напівпровідники, провідність яких зумовлена надлишковими електронами, називаються електронними або напівпровідниками n -типу.

Напівпровідники, провідність яких викликана наявністю дірок, називаються дірковими або напівпровідниками р-типу.

Розглянемо напівпровідник, що складається з двох частин, одна з яких має провідність n - типу, а друга р-типу (рис. 1). У р-області основними носіями є дірки, а в n-області - електрони. І n -, і р-області до утворення контакту між ними були, в цілому, електронейтральними. При утворенні контакту внаслідок дифузії та взаємного електричного притягання певна кількість вільних електронів n-області перейде в р-область, де є незайняті валентні рівні (дірки). Електрони займуть частину цих рівнів поблизу контакту. Дірки, в свою чергу, дифундуватимуть з р-області в n-область, де будуть рекомбінувати з вільними електронами. Завдяки цим процесам концентрація вільних електронів і дірок поблизу контакту значно зменшиться.

Поряд з цим, n-область поблизу, контакту зарядиться позитивно, бо: по-перше, вона, втратила частину своїх вільних електронів; а по-друге, до неї перейшла частина дірок з р-області. Аналогічно, р-область поблизу контакту зарядиться негативно. Електричне поле, що виникне при цьому, перешкоджатиме подальшій дифузії носіїв заряду. В області контакту встановиться динамічна рівновага.

Таким чином, на межі контакту n - і р- напівпровідників виникає р-n-перехід (рис.2 ), який має великий опір, бо він збіднений на носії заряду. Шар, що перешкоджає дифузії носіїв заряду, називається запираючим- шаром. Його товщина залежить від концентрації носіїв заряду в областяхнапівпровідника.

Якщо до р-n-переходу прикласти різницю потенціалів у такому напрямі, як показано на рис. 3, тобто до р-області подати позитивний потенціал, а до n-області негативний, то під дією зовнішнього поля вільні носії заряду рухатимуться до р-n-переходу; концентрація їх на переході зросте і через напівпровідник піде значний струм.

Якщо ж різницю потенціалів прикласти в протилежному напрямі (рис. 4 ), то ширина р- n-переходу зросте, бо носії заряду будуть відходити від контактної області. У цьому випадку опір переходу буде великим, а струм у колі - незначним.

Напрям, в якому р-n-перехід пропускає струм, називається прямим або напрямом провідності.

Протилежний напрям називають зворотнім або запірним.

Таким чином, прилади, в яких створено р- n-перехід, пропускають струм лише у прямому напрямі. У зворотному напрямі струм дуже малий. Такі прилади називають діодами і вони використовуються для випрямлення струмів в електро- і радіотехніці. Промисловість випускає, в основному, кременеві і германієві точкові та площинні діода.

Для діодів введені позначення, які складають з букв і цифр (наприклад Д7Ж): Д - означає тип приладу - діод; 7 - вказує тип приладу та його застосування, Ж – різновидність приладу.

Найважливіші параметри діодів такі:

1. Найбільше значення зворотної напруги U_зв, яка може бути прикладена до діода у зворотному напрямі.

2. Прямий струм І_пр – величина максимального струму через діод при прямому ввімкнені.

3.Найбільше значення зворотного струму І_{зв.макс} величина струму через діод у зворотному напрямі ( коли до нього прикладено зворотну напругу).

4. Пробивна напруга U_npoб. - напруга на діоді, при якій відношення зміни напруги до зміни струму дорівнює нулю. Перевищення цього значення приводить до різкого збільшення зворотного струму і руйнування діода.

5. Найбільша амплітуда струму при перехідних процесах І_{перех..макс..} - найбільше значення амплітуди струму через діод, яка не спричиняє його пошкодження протягом секунди.

6. Найбільша амплітуда випрямленого струму І_{випр.макс..} – найбільше значення амплітуди струму через діод.

7.Прохідна ємність С_пр - статична ємність між електродами діода. Основною характеристикою діода є вольт-амперна характеристика, яка показує залежність величини струму, що проходить через діод від величини прикладеної напруги.