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, позволяют ему проводить электрический ток. 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 его сопротивление в невозбужденном состоянии.

2. Включить образец в электрическую цепь в качестве одного из плеч делителя; другим плечом взять резистор сопротивлением в 10 ÷ 100 раз меньшим сопротивления полупроводника. Измерить и записать сопротивление резистора.

3. Подключить параллельно резистору (который в данном случае играет роль токоизмерительного) осциллограф с функцией памяти — для возможности регистрации одиночного импульса.

4. Как правило удается синхронизовать запись осциллографом результирующего импульса непосредственно с переходом напряжения 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, P = U² ∕ [R_a + R_x], не могла превысить 100 мВт.) При возможности — ограничить выходной ток (мощность) источника питания. Удостовериться в наличии постоянного напряжения на резисторе.

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. Поскольку выбранное сопротивление токоизмерительного резистора много меньше сопротивления полупроводника, ток в цепи будет почти исключительно зависеть от проводимости полупроводника: I ≈ G U₀.

   В свою очередь (небольшое относительно входного U₀) падение напряжения на токоизмерительном резисторе прямо пропорционально току: U_a = R_a I ≈ R_a U₀ G, что и позволяет найти проводимость образца G ≈ U_a ∕ (R_a U₀).

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

   G = G₀ [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