Основні теоретичні відомості Проведення експерименту

Пластина кремнію має омічні контакти і з'єднана послідовно з навантажувальним опором Rн і джерелом напруги V₀. Пластина буде освітлюватися джерелом світла. За допомогою фільтрів зі спектра виділяється випромінювання з бажаною довжиною хвилі . Між джерелом світла і пластиною розміщений модулятор. При одному положенні модулятора світло попадає на пластину (модулятор відкритий), при іншому пластина затемнена.

Рисунок 4.1 - а) схема експерименту: 1-джерело світла, 2-фільтри. 3- модулятор, 4- кремнієва пластина з омічними контактами; б) залежність від часу зміни напруги на навантажувальному опорі

Спочатку модулятор відкритий і через пластину і навантажувальний опір тече темновий струм, обумовлений темновим опором пластини. У момент t₀ модулятор освітлюється, і пластина виявляється освітленою. Опір пластини падає, струм у ланцюзі зростає і пропорційно струму зростає спадання напруги на опорі навантаження Rн. Зміна напруги на навантаженні реєструється на екрані осцилографа.

1. Виберемо фільтри, що пропускають інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі l=5мкм. Відкриваємо модулятор і через якийсь час (t₀) закриємо його. На екрані спостерігається крива 1. Ця крива відображає зміну в часі опору кремнієвої пластини. Коли модулятор відкривається, опір пластини починається зменшуватися, а струм зростати. Через якийсь час досягається стаціонарний стан: R=const. Після закриття модулятора опір пластини починає зростати, а напруга в ланцюзі падати.

Поміщаємо кремнієву пластину в колбу з вакуумом і знову відкриємо модулятор (крива 2). Опір пластини змінюється повільніше: час наростання і спаду струму значно збільшується. Під дією того ж світлового потоку опір пластини впав сильніше.

2. Змінимо набір фільтрів так, щоб довжина хвилі світла l=1мкм. знову проробимо досвіди на повітрі й у вакуумі. В обох випадках одержуємо криву 3.

Зробимо висновки з експерименту:

1. Довжині хвилі l=5мкм відповідає енергія фотона 0,25еВ. Ця величина менше, ніж енергія утворення пари електрон-дірка в кремнії (1,1еВ). Тому світло з довжиною хвилі 5мкм не здатне безпосередньо генерувати носії заряду. Проте відбувається поглинання світла. Поглинання відбувається на вільних носіях, що маються в кристалі (кремній P або N типу). Енергія фотона передається вільному електрону (дірці), а потім, у результаті зіткнення носіїв із граткою, - гратці кристала. Кристал нагрівається. За рахунок збільшення температури кришталевої гратки збільшується концентрація носіїв, і ми фіксуємо збільшення струму в ланцюзі.

2. Якщо змінити умови тепловідводу, зміниться і тепловий режим кристала. При розміщенні кристала у вакуумі умови для тепловідводу погіршуються: тепер зразок може віддавати надлишкове тепло тільки за рахунок випромінювання. Охолодження за рахунок конвекції повітря виключено. При такому ж самому світловому потоці, що падає не пластину, установлюється більш висока температура, ніж у першому досліді і зміна опору вище.

3. Довжині хвилі l=1мкм відповідає енергія фотона 1,25еВ. При поглинанні такого кванта світла в кристалі кремнію виникає пари електрон – дірка.

Збільшення провідності кристала під дією світла обумовлене не зміною температури кристала, а зростанням числа вільних носіїв, що виникають у результаті поглинання світла, називається явищем фотопровідності.