Механизм электропроводности фоторезисторов
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА
(национальный исследовательский университет)» СГАУ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Методические указания к лабораторной работе
Самара 2012
Составитель: Ю.И.Макарычев, к.т.н., доцент
УДК 621.396.002.3(075)
Исследование полупроводниковых материалов фоторезисторов: Методические указания к лабораторной работе/СГАУ. - Самара, 2012. - 19 с.
В методических указаниях излагаются краткие теоретические сведения и методика исследования материалов полупроводниковой электронной техники.
Методические указания являются составной частью цикла лабораторных работ по курсу «Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Материаловедение и технология материалов», «Материаловедение».
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 210302 «Радиотехника», 210303 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 160903 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» и направлениям подготовки: 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 211000 «», 210601«Радиоэлектронные системы и комплексы», 210400.62 «Радиотехника», 162500.62 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов».
Подготовлены на кафедре «Электронные системы и устройства».
Цель: Исследование влияния света на электропроводность материалов полупроводниковых приемников излучения.
Задание:
1 На основании экспериментальных данных построить зависимость тока через фоторезистор от освещенности.
2 Определить величину сопротивления фоторезисторов для различных освещенностей.
3 Построить график спектральной чувствительности фоторезистора.
4 Дать интерпретацию полученным экспериментальным результатам. Определить материал фоторезистора.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1 Внутренний и внешний фотоэффект
В качестве фотоэлектрических преобразователей используются фотополупроводники, электрические свойства которых под влиянием света изменяются. Рассмотрим принципы действия и важнейшие свойства, а затем некоторые наиболее типичные случаи применения.
На рисунке 1 приведены фотоэлектрические элементы.
Рисунок 1 – Фотоэлектрические элементы
Как схематически показано на рисунке 1, при внешнем фотоэффекте электроны за счет облучения освобождаются с внешней поверхности металлического слоя (например, калия или цезия). В вакуумном или газоразрядном фотоэлементе освобожденные электроны движутся к аноду, фотоэлементы создают фото-ЭДС, пропорциональную силе света. При внутреннем фотоэффекте электроны, которые до этого были соединены с атомами кристаллической решетки полупроводника, под влиянием облучения светом освобождаются и движутся в полупроводнике как освобожденные носители зарядов. В однородном полупроводнике, обладающем n-проводимостью или p-проводимостью, это относится ко всему объему. В таких полупроводниках можно получить очень сильные уменьшения электрического сопротивления при освещении.
Этот эффект имеет место в большом количестве химических соединений. Техническое применение получили фотосопротивления из CdS, CdSe, PbS .
Если в полупроводнике области p-проводимости и n-проводимости граничат между собой (неоднородный полупроводник), то на поверхности перехода возникает запирающий слой. Фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, выполненные по этому принципу, создают при освещении фото-ЭДС.
В противоположность фотосопротивлениям фоточувствительным в них является только участок, непосредственно примыкающий к запирающему слою, поэтому можно говорить о фотоэффекте в запирающем слое. В качестве материалов для этих трех элементов применяются в большинстве случаев Se, Ge, Si.
1.2 Изготовление фотополупроводников
Говоря об изготовлении фотополупроводников, можно в общем отметить, что для каждого материала применяется его особая технология обработки в соответствии с его физическими свойствами (точка плавления, давление паров и т. д.). Кристаллы Ge, Si вытягиваются из расплава, слой Se направляют, слой PbS осаждают из растворов солей, a CdS получают распылением в вакууме. Все эти вещества, однако, обладают одним свойством - в химически чистом веществе они являются чистыми изоляторами и не обладают фотоэффектом. Фотоэлектрическая активность веществ возникает лишь в том случае, если в них добавлено незначительное, но строго определенное количество примесей, поэтому при изготовлении материалов необходимо прежде всего получить очень чистый основной материал, а затем добавить в требуемых количествах примеси. Далее необходимо выдержать в большинстве случаев узкие допуски на геометрические размеры элементов. Разброс этих параметров -концентрации примесей и внешних габаритов -определяет разброс электрических свойств.
1.3 Фоторезисторы
Фоторезистор - это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности.
На рисунке 2 схематично показано устройство фоторезистора.
А-А
1
2
3
А 1 2 1 А А 1 2 1 А
Рисунок 2 - Устройство фоторезистора:
1-металлические электроды;
2-слой CdS; 3-стекло.
На основание из стекла наносится распылением слой CdS толщиной 20 - 30 мк, в котором имеются нарушения, образованные атомами примесей, например, Сu и Cl. Подсоединительные контакты фотосопротивления состоят из двух металлических электродов, полученных напылением на слой CdS, между ними расположена фотоактивная поверхность. Для фотосопротивления с активной поверхностью 30 мм2 (расстояние между электродами равно 1мм) темповое сопротивление составляет около 109 Ом, а сопротивление при освещенности 1500 ЛК—103Ом. Если приложить к сопротивлению электрическое напряжение, то через слой CdS oт одного контакта к другому, т. е. перпендикулярно пучку света, потечет фототок.
Механизм электропроводности фоторезисторов
Если рассматривать кристаллическую решетку, то процессы в фотосопротивлении можно описать следующим образом. При затемненном сопротивлении практически все элементы связаны с ионами сетки и только незначительная часть их свободна за счет тепловой энергии кТ. Если при этом приложить к фотосопротивлению электрическое напряжение, то эти свободные носители зарядов, двигаясь в направлении электрического поля, создадут очень незначительный ток - темновой ток. Падающий на фотосопротивление свет лучше всего представить себе не как электромагнитные волны, а как большое количество световых квантов. Если световой квант встречается с ионами сетки, то энергия светового кванта передается электрону (абсорбция), и в случае, когда энергия, полученная электроном, превышает энергию его связей, электрон освобождается. Облучающий свет, таким образом, производит дополнительные свободные носители зарядов. Если фоторезистору приложено напряжение, то протекающий через него ток становится больше, т. е. при освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается.
Это возбуждение электронов можно представить с помощью энергетической схемы фотосопротивления. Все электроны, связанные с ионами, находятся в валентной зоне и только свободные электроны в зоне проводимости участвуют в создании электрического тока. Ширина запрещенной зоны, расположенной между валентной зоной и зоной проводимости, задается энергией связи электронов. При наличии примесей (Сu, Сl) энергия соединения электрона с ионами становится меньше, так что уровни мест нарушения лежат в запрещенной зоне. Поглощая световой квант, связанный электрон может попасть в зону проводимости, т. е. освободиться от иона только в том случае, если полученная им энергия больше, чем ширина запрещенной зоны. Этот процесс называют возбуждением электрона. В зоне проводимости электрон движется в направлении электрического поля и много раз захватывается; за счет тепловой энергии вновь освобождается, пока наконец он не окажется захваченным ионом, на котором отсутствует электрон. Это называется рекомбинацией электронов. При этом электрон передает свою энергию иону, и тепловая энергия решетки CdS увеличивается. Отдельные электроны имеют весьма ограниченный срок жизни, например, для CdS только несколько микросекунд. Постоянный фототок при освещении фоторезистора возникает вследствие того, что в каждый момент времени благодаря воздействию света появляется столько же свободных электронов, сколько рекомбинируется (динамическое равновесие).
Выбором геометрических размеров можно сделать фоторезистор низкоомным. Для этого необходимо увеличить толщину слоя CdS и уменьшить расстояние между электродами, а также увеличить активную поверхность. Применение электродов по типу гребенки (рисунок 2) позволяет получить особенно большую активную поверхность. При постоянной освещенности сопротивление фоторезистора в широких пределах не зависит от приложенного напряжения (от милливольт до нескольких сотен вольт), т. е. фотосопротивление ведет себя как линейное сопротивление. При этом, конечно, предполагается, что между металлическими электродами и слоем CdS не образуется запирающих слоев, что достигается тщательным изготовлением.
На рисунке 3 приведена зависимость сопротивления от освещенности (площадь активной поверхности 30 мм2, расстояние между электродами 1 мм).
RФ,
Ом
109 γ=1,0 IФ~Фγ
108 γ=0,8 RФ=1/Фγ
107 γ=-lgRФ/lgФ
106 γ=0,6
105
104
103
0,01 0,1 1 10 100 103 Ф, лк
Рисунок 3 - Зависимость сопротивления от освещенности
для фоторезистора из CdS
В логарифмическом масштабе эта зависимость представляет собой прямую с углами наклона 45°. В порядке уточнения можно отметить, что наклон характеристики очень сильно зависит от концентрации атомов примесей Си в решетке CdS и может измениться в несколько раз.
1.5Спектральная чувствительность фоторезисторов
Спектральная чувствительность фоторезистора определяется, по существу, его основным материалом. На рисyнке 4 представлены зависимости чувствительности некоторых материалов, фоторезисторов от длины волны облучающего света (λ). Для сравнения на рисунке 4 приведена характеристика чувствительности человеческого глаза (пунктирная кривая А) для цветов от фиолетового (0,4 мк) до темно-красного (0,75 мк).
100
90 CdS CdSe PbS
80
70
60
50
40
0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 λ, мкм
Рисунок 4 - Спектральные характеристики фоторезисторов
Принципиальный ход характеристик фотосопротивлений может быть объяснен следующим образом. При малых длинах низкая чувствительность объясняется тем, что облучающий свет полностью поглощается уже в тонком поверхностном слое фоторезистора (поглощение основной решеткой). С увеличением длины волны свет проникает в светочувствительный слой фоторезистора все глубже, чувствительность при этом повышается и при некоторой длине волны становится опять равной нулю, так как энергия светового кванта уже недостаточна для того, чтобы освободить электрон.
Чувствительность сернисто-кадмиевого фотосопротивления хорошо совпадает с чувствительностью человеческого глаза, однако максимум этой чувствительности может смещаться введением соответствующих присадок. Чувствительность фотосопротивления из CdS смещена в область красных лучей, а чувствительность слоев PbS - даже в область инфракрасных лучей (2,8 мк). Соответственно ширина запрещенной зоны в энергетической схеме равна для CdS - 1,8 эВ, для PbS - 2,4 эВ.
При увеличении температуры вид спектральной характеристики существенно изменяется. Характеристика может смещаться как в длинноволновую, так и коротковолновую область спектра. Эго объясняется тем, что ширина запрещенной зоны у различных веществ может как уменьшаться, так и увеличиваться.
Фоторезисторы широко используются в схемах защиты контролируемого процесса, сортировке деталей по окраске или размерам, измерении силы света и автоматической регулировке освещенности, дистанционного измерения температуры, кино- и фотоаппаратуре. Обозначаются фоторезисторы буквами СФ или ФС (фотосопротивление), за которыми следуют буква и цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (А - PbS, К - CdS, Г - герметизированная конструкция).
2 УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1 Ознакомиться со схемой экспериментальной установки (рисунок 5).
Люкс-ампер мА СФ2-5
Сеть ФСК-1
Спектр чувст. CФ3-2
~220V Ф
В мА CФ3-1 СФ
CФ2-1
Рисунок 5 - Схема экспериментальной установки:
B-выпрямители; CФ-светофильт
2 Включить стенд с помощью тумблера «Сеть», расположенного на передней панели стенда.
3 Поставить тумблер «Люкс—ампер—спектр, чувств.» в положение «Люкс—ампер».
4 Снять зависимости IФ=φ(Ф) последовательно для трех фоторезисторов СФ2-5, ФСК-1 и СФЗ-2. Освещенность фоторезисторов изменять регулятором «Ф» в пределах, указанных на стенде, выбрать максимальную чувствительность микроамперметра для каждого фоторезистора. Результаты занести в таблицу 1, форму которой выбрать произвольной.
5 Поставить тумблер «Люкс—ампер—спектр, чувств.» в положение «Спектр, чувств.».
6 Снять зависимости спектральной чувствительности последовательно для трех фоторезисторов СФЗ-1 и СФ2-1. Длину волны света задавать с помощью светофильтра. Соответствие цвета светофильтра и длины волны света установить с помощью таблицы, расположенной на крышке стенда. Результаты занести в таблицу 2, форму которой выбрать произвольной.
7 Рассчитать величины фотосопротивлений в соответствии с формулами:
8 Построить графики зависимостей:
9 Определить материалы, из которых выполнены фоторезисторы, сформулировать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Чем отличаются внутренний и внешний фотоэффекты?
2 Из каких материалов изготавливаются фоторезисторы?
3 Каков механизм электропроводности в фоторезисторах?
4 Почему ток, протекающий через фоторезистор, зависит от частоты падающего светового потока?
5 Как должны изменяться спектральные чувствительности фоторезисторов с понижением температуры?
6 По каким характеристикам можно определить область применения фоторезисторов?
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|