Сделай Сам Свою Работу на 5

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.

 

  Внешний фотоэффект Внутреннийфотоэффект
Фотоэффект на запирающем слое
 
 

 

 


П Н

 
 


IФ

 
 

 


Х

Тип элемента Фотоэлект­ронный фото­элемент. Ионный фото­элемент   Фотосопротивление Фотоэлемент. Фотодиод. Фототранзистор
Действие света Фотонапряжение Изменение сопротивления Фотонапряжение
Матери­ал Цезий (СЗ) Калий (К) Сульфид кадмия (СdS) Селенид кадмия (CdSe) Сульфид свинца (PbS) Селен (Se) Германий(Gе) Кремний (Si)

 

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 IФγ

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.