Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Transkript

1 Měření šířky zakázaného pásu polovodičů Úkol : 1. Určete šířku zakázaného pásu ze spektrální citlivosti fotorezistoru pro šterbinu 1,5 mm. Na monochromátoru nastavujte vlnovou délku od 200 nm po 50 nm do 3200 nm. Měřte ohmický odpor fotorezistoru ohmmetrem. V oblasti minima (500 nm 650 nm) nastavujte vlnovou délku po půlkách dílků (tzn. po 5 nm). Celé opakujte pro štěrbinu 1 mm. Hodnoty fotoodporu zapište do tabulky. 2. Sestrojte graf závislosti odporu na vlnové délce pro obě šířky štěrbiny. 3. Pro vlnovou délku s minimálním odporem určete šířku zakázaného pásu v ev. 4. Pro vypočtenou šířku zakázaného pásu určete dle tabulek typ polovodiče. Pomůcky : - Monochromátor - Multimetr v režimu ohmmetr - Fotorezistor neznámého typu 1 / 5

2 Teorie : U izolovaného atomu nabývá elektron určitých energetických hladin. Tyto jsou oddělené oblastmi, kterých nemůže elektron nabýt. Energetické spektrum elektronů vázaných v atomu má protodiskrétní charakter. U pevných látek dochází důsledkem vzájemné interakce v krystalické mřížce k rozštěpení původních hladin na celé pásy tvořené prakticky spojitou řadou dovolených hodnot energie. Tyto pásy povolených energií jsou odděleny oblastmi, kterých elektrony nabýt nemohou tzv. zakázané pásy. Rozhodující význam zde hraje vzájemná poloha vodíkového a valenčního pásu. U polovodičů je vodivostní a valenční pás oddělen úzkým pásem zakázaných energií. K tomu, aby elektron přešel z valenčního do vodivostního stavu, musí být dodána energie dostatečná k přechodu do vodivostního pásu. Jednou z takových možností je dodání energie ve formě světla s vhodnou vlnovou délkou v takovém případě hovoříme o tzv. vnitřním fotoelektrickém jevu. Kromě vnitřního fotoelektrického jevu známe u polovodičů ještě tzv. hradlový fotoelektrický jev. Při tomto jevu se energie dopadajících fotonů spotřebuje na přechod elektronů, které jsou pak již ve vodivostním pásu. Na přechodu dvou polovodičů typu PN tak vznikne elektrické napětí. Tento princip je v praxi realizován v podobě fotočlánků, hradlových fotonek atd. K přechodu z valenčního do vodivostního pásu dojde tehdy, pokud energie dopadajících kvant bude dostatečná k překonání zakázaného pásu. V opačném případě samozřejmě fotoefekt nenastane. Existuje proto pro každý polovodič jistá vlnová délka, která je zapotřebí k vyvolání fotoefektu. Podmínkou pro vyvolání fotoefektu je záření o minimální energii danou výše uvedeným vztahem. Při osvětlení polovodiče zářením s rovnou či větší frekvencí zakázaného pásu se 2 / 5

3 generují nové elektrony, což má za následek zvýšení vodivosti. Za předpokladu, že počet uvolněných elektronů v objemu V za jednotku času je úměrný světelné energii absorbované v témže objemu, je celkový počet párů elektron-díra vytvořený za dobu t dán vztahem: kde b je kvantový výtěžek, tj. počet párů vytvořených jedním kvantem, k je koeficient absorpce záření I je intenzita dopadajícího záření. Při dosažení mezní vlnové délky fotoproud prudce roste. Při zkracování vlnové délky dojde k opětovnému poklesu vodivosti polovodiče z důvodu vyšší absorpce světla v krystalu a vyšší rekombinace. Fotoproud dosahuje maxima, dopadají-li fotony na polovodič s energií rovnou šířce zakázaného pásu. Je tedy možné ze spektrální fotocitlivosti polovodičů určit šířku zakázaného pásu. Použité vztahy : 3 / 5

4 Popis postupu měření : Měli jsme k dispozici fotorezistor neznámého typu, který jsme umístili do komory monochromátoru a osvětlovali jsme ho úzkou štěrbinou, aby se vyloučil vliv okolního světla. Měnili jsme vlnovou délku dopadajícího světla postupně přesně podle pokynů úkolu č.1. Naměřené hodnoty odporu fotorezistoru jsme zapsali do tabulky pro různou šířku štěrbiny. Dále jsme vytvořili graf závislosti fotoodporu na vlnové délce. Pomocí hodnoty vlnové délky, při které je minimální odpor jsme vypočítali šířku zakázaného pásu fotorezistoru. Tabulka : λ [nm] R [MΩ] Graf : 4 / 5

5 Teoretický (Atomová a rozbor jaderná převzatý fyzika). z PF knihy JU ŠPATENKA, České Budějovice, P., KALČÍK, J.: Fyzikální praktikum IV 5 / 5