Фотопроводимость

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.

1. Записать номер образца и измеренное сопротивление резистора.

2. Включить образец в электрическую цепь в качестве одного из плеч делителя; другим плечом взять резистор сопротивлением порядка (1 ÷ 100) кОм — так, чтобы рассеиваемая на нем мощность, P = U² ∕ R, не могла превысить 100 мВт.

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

4. Как правило удается синхронизовать запись осциллографом результирующего импульса непосредственно с переходом напряжением на выходе делителя через некоторый порог (порядка 0.9 от напряжения в состоянии покоя.) В противном случае — 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 — так, чтобы рассеиваемая на цепи мощность не превышала 100 мВт.) 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.

1. Используя уравнение делителя (ниже), найти по измеренным значениям напряжения U проводимость образца полупроводника σ_x = 1 ∕ R_x.

   U_in R_x = U_out (R_com + R_out).

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.

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