ĆWICZENIE NR 8F 

Temat ćwiczenia:

 

WŁASNOŚCI FOTOOPTYCZNE PÓŁPRZEWODNIKÓW 

Cel ćwiczenia:

 

- poznanie zjawisk fotoelektrycznych w półprzewodnikach 

 

 

 

BADANIE WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNYCH  

PÓŁPRZEWODNIKÓW 

Program ćwiczenia:

 

-

 

wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora 

-

 

wyznaczanie charakterystyki świetlnej fotorezystora 

1. Wiadomości teoretyczne:

 

1.1 Zjawiska fotoelektryczne w półprzewodnikach

 

W  temperaturze  zera  bezwzględnego  półprzewodniki  są  izolatorami.  Dla  uzyskania 

przewodnictwa  należy  pewnej  liczbie  elektronów  związanych  z  atomami  półprzewodnika  lub  
z atomami domieszek, udzielić z zewnątrz pewnej energii, tak aby mogły one przejść na wyższe 
poziomy  energetyczne  i  uzyskały  zdolność  swobodnego  poruszania  się  w  półprzewodniku. 
Energia ta może być dostarczona w postaci energii cieplnej, przez podwyższenie  temperatury 
półprzewodnika  powyżej  temperatury  zera  bezwzględnego.  W  określonej  temperaturze 
w półprzewodniku  istnieje  ustalona  koncentracja  swobodnych  nośników  pobudzonych 
termicznie,  które  mogą  przewodzić  prąd  elektryczny.  Prąd  przenoszony  przez  nośniki 
pobudzane termicznie nazywamy prądem ciemnym.

 

Wzrost energii elektronów w półprzewodniku może być również spowodowany w inny sposób, 
a mianowicie przez pochłonięcie energii fotonów, w wyniku wzajemnego oddziaływania na 
siebie promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej  długości fali  i  sieci  krystalicznej 
półprzewodnika. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska fotoelektrycznego.

 

Energia przekazywana elektronom przez fotony może być tak duża. że są one w stanie opuścić 
napromieniowane  ciało.  Mamy  wówczas  do  czynienia  ze  zjawiskiem  fotoelektrycznym 
zewnętrznym, zwanym inaczej emisją fotoelektronową  

Jeżeli przyrost energii elektronów jest zbyt mały dla wywołania emisji

 

fotoelektronowej, ale 

wystarczająco  duży  do  tego,  aby  uzyskały  one  zdolności

 

swobodnego  poruszania  się  w 

oświetllonym  półprzewodniku,  mamy  wtedy

 

do  czynienia  ze  zjawiskiem  fotoelektrycznym 

wewnętrznym.

 

W  półprzewodnikach  jednorodnych  zjawisko  fotoelektryczne  wewnętrzne  objawia  się 
zwiększeniem  ich  przewodności  właściwej  podczas  oświetlania;  nosi  to  nazwę 
przewodnictwa  fotoelektrycznego.  Przewodność  właściwa  oświetlonego  półprzewodnika 
jednorodnego może być ogólnie zapisana w następujący sposób:

 

 

 

 

γ

=

γ

c

+

γ

fe

=q(n

e

µ

e

+n

p

µ

p

)+q(

∆

n

e

µ

e

+

∆

n

p

µ

p

) 

 (1)  

gdzie:

 

γ

 - przewodność półprzewodnika oświetlonego [ 1/

Ω

m],  

 

 

γ

c

 - przewodność półprzewodnika nieoświetlonego [ 1/

Ω

m],

 

γ

fe 

- przewodność fotoelektryczna [ 1/

Ω

m],  

n

e

, n

p

 - koncentracja swobodnych elektronów i dziur pobudzonych termicznie

 

[l/m

3

],

 

∆

n

e

, 

∆

n

p

 - przyrosty koncentracji elektronów i dziur pobudzonych przez fotony [l/m

3

], 

q - ładunek elektronu [C] , 

µ

E

,

 

µ

P

 

- ruchliwość elektronów i dziur [m

2

/Vs]. 

W półprzewodnikach niejednorodnych, w których występują wewnętrzne bariery potencjału, 
zjawisko  fotoelektryczne  wewnętrzne  prowadzi  do  powstania  napięcia  i  nosi  nazwę  zjawiska 
fotowoltaicznego.

 

W  półprzewodniku  jednorodnym  umieszczonym  w  zewnętrznym  polu  magnetycznym 
również  powstaje  napięcie  w  czasie  oświetlania.  Zjawisko  to  nosi  nazwę  zjawiska 
fotomagnetycznego.

 

Zarówno zjawisko fotoelektryczne, jak i zjawisko fotowoltaiczne i fotomagnetyczne znajdują 
zastosowanie w półprzewodnikowych przyrządach fotoelektrycznych. 

1.2 Przewodnictwo fotoelektryczne samoistne

 

Swobodne nośniki ładunku, wyzwalane w wyniku pochłaniania przez półprzewodnik kwantów 
promieniowania o odpowiedniej energii, mogą pochodzić z dwóch źródeł, podobnie jak nośniki 
pobudzone przez energię cieplną

 

Jeżeli  energia  fotonu  jest  wystarczająca  do  rozerwania  wiązania  sieci  i  spowoduje  przejście 
elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje wówczas para nośników 
swobodnych  -  elektron  i  dziura.  Przewodnictwo  związane  z  wytwarzaniem  przez 
promieniowanie  par  elektron-dziura  nosi  nazwę  przewodnictwa  fotoelektrycznego 
samoistnego.  Minimalna  energia  jaką  musi  posiadać  foton  dla  wywołania  przewodnictwa 
fotoelektrycznego samoistnego, równa jest szerokości pasma zabronionego E

g

 półprzewodnika. 

 

Rys. 1. Mechanizm powstawania przewodnictwa fotoelektrycznego samoistnego oraz domieszkowego 

 

 

Z tych rozważań można wyznaczyć graniczną długość fali promieniowania

 

λ

OS

,

 

powyżej której 

nie wystąpi przewodnictwo fotoelektryczne samoistne w danym półprzewodniku. 

]

[

24

,

1

µ

λ

g

g

OS

E

E

hc

=

=

 

 (2) 

gdzie: 
h - stała Plancka  
c - prędkość światła  
E

g

 - szerokość pasma zabronionego 

Graniczna długość fali nosi nazwę długofalowego progu przewodnictwa fotoelektrycznego 
samoistnego. 

 

1.3 Przewodnictwo fotoelektryczne domieszkowe 

Fotony  o  energii  mniejszej  od  szerokości  pasma  zabronionego  E

g

  mogą  pobudzać  nośniki  

z  poziomów  domieszkowych  znajdujących  się  w  paśmie  zabronionym  półprzewodnika. 
Przewodnictwo  tego  typu  nosi  nazwę  przewodnictwa  fotoelektrycznego  domieszkowego. 
Poziomy domieszkowe w półprzewodniku posiadającym temperaturę pokojową są całkowicie 
zjonizowane  w  wyniku  pobudzania  termicznego.  Z  tego  względu  dla  uzyskania 
przewodnictwa  fotoelektrycznego domieszkowego niezbędne jest ochłodzenie półprzewodnika 
do  odpowiednio  niskiej  temperatury,  w  której  nie  występuje  jeszcze  termiczna  jonizacja 
domieszek. 

 

1 .4 Klasyfikacja i charakterystyki półprzewodnikowych przyrządów

 

fotoelektrycznych. 

 

Półprzewodnikowe przyrządy fotoelektryczne można podzielić na cztery grupy:

 

-

 

przyrządy fotoprzewodnościowe 

-

 

przyrządy fotowoltaiczne 

-

 

przełączniki fotoelektryczne 

-

 

modulatory promieniowania 

 
Pierwszą  grupę  stanowią  przyrządy  wykorzystujące  przewodnictwo  fotoelektryczne.  Są  to 
przyrządy  odznaczające  się  dużą  opornością  elektryczną,  gdy  nie  są

 

oświetlone,  oraz 

zmniejszaniem  oporności  pod  wpływem  padającego  na  przyrząd

 

promieniowania  

o  odpowiedniej  długości  fali.  Przyrząd  taki  włączony  do  obwodu

 

elektrycznego  ze  źródłem 

napięcia  powoduje  zmiany  natężenia  prądu  w  obwodzie

 

przy  zmianach  natężenia  padającego 

nań promieniowania.

 

Najprostszym  typem  przyrządów  wykorzystujących  przewodnictwo

 

fotoelektryczne  są 

oporniki fotoelektryczne. Można je podzielić według zasady

 

działania na dwie grupy.  

Pierwszą grupę stanowią oporniki wykorzystujące zjawisko przewodnictwa fotoelektrycznego 
samoistnego,  tzn.  takie,  w  których  zmiana  oporności  zachodzi  w wyniku  przenoszenia 
elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.  
Drugą  grupę  stanowią  oporniki  wykorzystujące  zjawisko  przewodnictwa  fotoelektrycznego 
domieszkowego,  w  których  następuje  przenoszenie  elektronów  z poziomów  donorowych  do 

 

 

pasma przewodnictwa lub wytwarzanie dziur w paśmie walencyjnym w wyniku przenoszenia 
elektronów z tego pasma na poziomy akceptorowe. 
Oporniki fotoelektryczne samoistne pracują najczęściej w temperaturze pokojowej i są

 

czułe na 

promieniowanie  o  stosunkowo  małej  długości  fali,  przeważnie  w obszarze

 

promieniowania 

widzialnego i bliskiej podczerwieni.

 

Oporniki  fotoelektryczne  domieszkowe  wymagają  obniżenia  ich  temperatury  do

 

wartości, 

przy której poziomy domieszkowe nie są jeszcze zjonizowane termicznie, tzn. przynajmniej do 
temperatury ciekłego tlenu. Są one jednak czułe na daleką

 

podczerwień. 

 

Drugim  typem  przyrządów  wykorzystujących  przewodnictwo  fotoelektryczne  są 

fotodiody  z  jednym  złączem  p-n.  Wysoką  oporność  nieoświetlonej  fotodiody  uzyskuje  się 
dzięki wykorzystaniu charakterystyki prądowo - napięciowej złącza p- n w zakresie zaporowym. 
Promieniowanie padające na złącze zwiększa wartość natężenia prądu nasycenia występującego 
w  tym  obszarze  charakterystyki.  Bardziej  złożonym  przyrządem  jest  fotodioda  z  dwoma 
złączami  p-n.  Jej  zaletą  jest  połączenie  wysokiej  oporności  zaporowej  złącza  p-n  oraz 
wzmocnienia prądu fotoelektrycznego  opartego  na  tym  samym  zjawisku,  co  wzmocnienie 
w  tranzystorach.  Dzięki  temu  posiada  ona  bardzo  dużą  czułość.  Najbardziej  uniwersalnym 
przyrządem  wykorzystującym  przewodnictwo  fotoelektryczne  jest  fototranzystor.  Wartość 
oporności  wyjściowej  fototranzystora  w  układzie  ze  wspólnym  emiterem  może  być  zmieniana 
przez  promieniowanie  i  jednocześnie  przez  sygnały  elektryczne  przykładane  między  bazą  
i  emiterem.  Tranzystor z bazą zwartą do emitera pracuje jak fotodioda z jednym złączem p-n. 
natomiast  z  bazą  rozwartą  -  jak  fotodioda  z  dwoma  złączami  p-n.  Czułość  fototranzystora 
może być regulowana w sposób ciągły przez zmianę oporności między emiterem i bazą. 

Drugą  grupę  półprzewodnikowych  przyrządów  fotoelektrycznych  stanowią  przyrządy 
fotowoltaiczne  (ogniwa  fotoelektryczne).  Są  to  przyrządy,  na  których  zaciskach  powstaje 
SEM  fotoelektryczna  podczas  oświetlania  przyrządu  promieniowaniem  o  odpowiedniej 
długości  fali.  Dzięki  temu  dają  one  prąd  w obwodzie  bez  stosowania  zewnętrznego  źródła 
napięcia.  Najprostszym  przyrządem  fotowoltaicznym  jest  fotodioda  z  jednym  złączem  p-n. 
Jednak  jako  typowe  ogniwa  fotoelektryczne  wykonywane  są  przyrządy  o  znacznie  większej 
powierzchni złącza p-n, niż powierzchnie stosowane w fotodiodach przeznaczonych do pracy 
jako przyrządy wykorzystujące przewodnictwo fotoelektryczne.

 

Trzecią  grupę  półprzewodnikowych  przyrządów  fotoelektrycznych  stanowią  przełączniki 
fotoelektryczne. Są to przyrządy fotoprzewodnościowe różniące się od wyżej omówionych tym, 
ż

e posiadają dwa stabilne stany - jeden o bardzo dużej, a drugi o bardzo małej oporności, przy 

czym  zmiana  stanu  może  następować  pod  wpływem  krótkiego  impulsu  świetlnego  i  jest 
niezależna od dalszych zmian oświetlenia.

 

Czwartą  grupę  przyrządów  stanowią  modulatory  promieniowania.  Sposób  ich  działania  jest 
jak gdyby odwróceniem sposobu działania omówionych wyżej grup przyrządów. W opornikach 
fotoelektrycznych, 

przyrządach 

fotowoltaicznych 

i przełącznikach 

fotoelektrycznych 

promieniowanie  wywołuje  zmiany  odpowiednich  parametrów  elektrycznych  przyrządu.  
W  modulatorze  promieniowania  natomiast  przez  zmianę  jego  parametrów  elektrycznych 
uzyskuje się zmianę natężenia promieniowania przechodzącego przez modulator. 
 
 
 

 

 

 

1.5 Fotorezystory

 

Najprostszym półprzewodnikowym przyrządem fotoelektrycznym jest opornik fotoelektryczny 
-fotorezystor, 

którego 

działanie 

oparte 

jest 

na 

wykorzystaniu 

przewodnictwa 

fotoelektrycznego. 

Wyróżnia 

się 

fotorezystory 

samoistne 

i domieszkowane, 

monokrystaliczne oraz cienkowarstwowe.

 

Budowa  fotooporu  i  technologia  jego  wytwarzania  są  dość  proste.  Na  płytkę  szklaną  1 
(rys.2)  nanosi  się  warstewkę  metalu  -  złota,  srebra  lub  platyny.  W warstwie  metalicznej 
wycina  się  szczeliny  dla  rozdzielenia  jej  na  dwie,  elektrycznie  odizolowane  elektrody  3; 
nadaje się im kształt dwu grzebieni wzajemnie zachodzących na siebie, ale bez dotykania. 
Robi  się  to  po  to,  aby  zwiększyć  powierzchnię  wzajemnego  oddziaływania  elektrod. 
Następnie  na  tak  przygotowane  elektrody  nanosi  się  półprzezroczystą  warstewkę 
półprzewodnika  o grubości  nie  większej  niż  średnia  głębokość  przenikania  światła  Dla 
ochrony  od  zewnętrznych  uszkodzeń  fotorezystor  pokrywa  się  warstewką  przezroczystej 
substancji  ochronnej  i  następnie  całość  umieszcza  się  w  banieczce  szklanej,  zaopatrzonej  w 
końcówki łączące się z elektrodami.

 

 

Rys.2. Budowa i obwód elektryczny fotorezystora 

1 - płytka szklana, 

2 - półprzewodnik, 

3 - elektrody.

 

Zasada  działania  fotorezystora  jest  oparta,  jak  to  zostało  wyjaśnione  wcześniej,  na 
powstawaniu  dodatkowej  liczby  nośników  ładunku  w  wyniku  pochłaniania  energii 
promienistej.  Przejawia  się  to  zwiększeniem  przewodnictwa  półprzewodnika.  Badanie 
właściwości  elektrycznych  fotorezystora  wymaga  włączenia  go  do  obwodu  źródła  prądu. 
Zmieniając napięcie źródła U od zera wzwyż stwierdzić można liniowy wzrost natężenia prądu 
fotorezystora  I

f

  ,  zgodny  z  prawem  Ohma.  Żadnego  progu  nasycenia  nie  obserwuje  się,  przy 

wzroście  U  rośnie  ciągle  I

fi

  oczywiście  do  granic  wytrzymałości  na  ogrzewanie  wskutek 

wydzielającego  się  ciepła  Joule'a.  Przy  nadmiernym  natężeniu  prądu  fotorezystor  ulega 
zniszczeniu.  Zależność  prądu  fotorezystora  I

f

  od  przyłożonego  napięcia  U  przy  stałym 

Φ

 

będziemy  nazywali  charakterystyką  prądowo-napięciowa.  Jest  ona  zależna  od  strumienia 
ś

wiatła 

Φ

 padającego na fotorezystor. Na rys.3 mamy przedstawione trzy charakterystyki dla 

różnych wartości strumienia Najniższa odpowiada przebiegowi prądu "ciemnego" (

Φ

 = 0).

 

3 

2 

1 

mA 

U 

 

 

 

Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora 

Charakterystyka  świetlna  fotorezystora  wyraża  zależność  natężenia  prądu  fotorezystora  I

f

 

od padającego nań strumienia świetlnego 

Φ

 przy stałej wartości napięcia U. Charakterystyki te 

są  zwykle  nieliniowe,  co  oznacza,  że  przyrost  liczby  nośników  ładunku  nie  jest  ściśle 
proporcjonalny do strumienia świetlnego 

Φ

.  

Z wykresu odczytać można wartość prądu ciemnego I

c

 dla 

Φ

 = 0. 

 

 

Rys.4. Charakterystyka świetlna fotorezystora. 

 
 
2.Wykonanie ćwiczenia.

 

2.1 Charakterystyka prądowo-napięciowa

 

Zestawiamy  układ  doświadczalny  według  schematu  pokazanego  na  rys.5.  Fotorezystor  F 
umieszczony  jest  w  osłonie  z  okienkiem,  przez  które  przechodzi  wiązka  światła  wysyłanego 
przez lampę L, w której źródłem światła jest żarówka oświetlacza mikroskopowego. Soczewka 
zamienia rozbieżną wiązkę światła na zbieżną. Napięcie na zaciskach fotorezystora zmieniamy 
za  pomocą  potencjometru  zasilacza  staloprądowego,  do  którego  podłączony  jest  fotorezystor. 

I

f

 (mA) 

Φ

 (lm) 

I

c

 

I

f

 (mA) 

U (V) 

2

Φ

1

Φ

 

0

=

Φ

 

1

2

Φ

〉

Φ

 

 

 

Miernikiem natężenia prądu jest miliamperomierz o zakresie pomiarowym uzależnionym od 
typu stosowanego fotorezystora.  

 

 

 

 
 
 

 

Rys. 5. Układ doświadczalny do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora 

Przystępując  do  pomiarów  zaczynamy  od  charakterystyki  prądu  "ciemnego".  Zasłaniamy 
okienko fotorezystora, ustawiamy napięcie na zasilaczu U = 0. Sprawdzamy czy amperomierz 
również wskazuje natężenie prądu I = 0. Następnie ustalamy za pomocą potencjometru zmiany 
napięcia,  napięcie  U  =  1V  i odczytujemy  odpowiadające  mu  natężenie  prądu  I.  W  ten 
sposób  postępując  podwyższamy  napięcie skokowo co 1V do 10V, odczytując za każdym 
razem  wskazywane  przez  miliamperomierz  natężenie  prądu  "ciemnego".  Uzyskane  wyniki 
pomiarów zapisujemy do tabeli I; posłużą one do sporządzenia wykresu charakterystyki prądu 
"ciemnego". 

 

W  podobny  sposób  przeprowadzamy  pomiary  dla  uzyskania  danych  do  sporządzenia 
charakterystyki  prądu  "jasnego".  Odsłaniamy  okienko  fotorezystora  i włączamy  oświetlenie 
fotorezystora.  Pomiary  prądu  fotorezystora  I

f

  zaczynamy,  podobnie  jak  i  poprzednio,  od 

napięcia  U  =  0,  a  następnie  skokowo  w  odstępach  co  0,5V  do  wartości  ok.  10V. 
Charakterystyki  dla  dwóch  różnych  wartości  strumieni  świetlnych  wyznaczamy  postępując 
zgodnie  z  instrukcją  dodatkową  znajdującą  się  przy  ćwiczeniu.  Pomiary  dotyczące  prądów 
"jasnych" dla różnych strumieni zapisujemy w tej samej tabeli I. 

 

Tabela I 

Strumień świetlny 

Φ

=0 Lx 

Φ

1

= 

Φ

2

= 

U 

I

f

 

U 

I

f

 

U 

I

f

 

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 
2.2 Charakterystyka świetlna fotorezystora

 

Stosujemy  ten  sam  schemat  układu  pomiarowego  co  w  poprzednim  punkcie.  Zmieniać 
będziemy napięcie zasilające żarówkę przez co uzyskamy zmianę strumienia świetlnego.

 

Ustalamy  dowolne  (patrz  instrukcja  dodatkowa)  napięcie  U  przyłożone  do  fotorezystora  
i  przy  wszystkich  dalszych  pomiarach  nie  będziemy  go  zmieniać.  Pomiary  prądu  I

f

  płynącego 

 

F 

V 

mA 

P 

L 

S 

 

 

przez  fotorezystor  zaczynamy  do  wartości  zerowej  strumienia  tzn.  przy  wyłączonym 
oświetleniu.  W  dalszej  kolejności  będziemy  odczytywali  wartości  I

f

  dla  coraz  większych 

wartości  strumienia  świetlnego  poczynając  od  wartości  ukazanej  w  instrukcji  dodatkowej. 
Podwyższamy  napięcie  skokowo,  za  każdym  razem  odczytując  natężenie  prądu  I  płynącego 
przez  żarówkę,  oraz  natężenie  I

f

  prądu  płynącego  przez  fotorezystor.  Wyniki  zapisujemy  

w  tabeli  II.  Na  podstawie  zawartych  w  niej  danych  sporządzamy  wykres  zależności 
fotoprądu od wielkości strumienia świetlnego wyrażonego w luxach. 
 

Tabela II

 

Napięcie na 

ż

arówce 

U[V]

 

Natężenie 

prądu 

I[A]

 

Natężenie 

oświetlenia  

Φ

 [Lx] 

Napięcie na 
fotooporze 
U

f

=const.[V]

 

Natężenie 
fotoprądu 

I

f

[A]

 

 

 

 

 

 

 
2.3 Dyskusja wyników pomiarów i obliczeń. Wnioski.