Міністерство освіти і науки України

Ужгородський національний університет

Кафедра оптики

Лабораторний практикум по дисципліні

„Медична та біологічна фізика”

Лабораторна робота №6

Вивчення вольт - амперних характеристик світлодіодів

Ужгород-2006

Лабораторна робота №4 Вивчення вольт - амперних характеристик світлодіодів

Мета роботи: Ознайомлення з властивостями р, n-переходу та принципом роботи світлодіодів. Дослідження вольт-амперних характеристик світлодіода.

Необхідні прилади та матеріали:

Вольтметр, амперметр, досліджуваний світлодіод.

I. Короткі теоретичні відомості:

Випромінювальні діоди в даний час являються основними джерелами випромінювання в сучасних багатофункціональних стоматологічних фотополімеризаторах, що використовується для полімеризації всіх видів пломбіровочних світлочутливих стоматологічних матеріалів. В основному використовуються світлодіоди з діапазоном випромінювання 465 нм.

Пульпа зубів є надзвичайно чутливою до жовтого і червоного спектру світла і тому сучасні джерела випромінюють світло синього спектру, до якого пульпа зуба якнайменше чутлива.

Випромінювальні діоди (світлодіоди)- це напівпровідникові прилади з одним або декількома електричними переходами, які безпосередньо перетворюють електричну енергію в енергію некогерентних електромагнітних коливань оптичного діапазону.

Фізичною основою роботи випромінювальних напівпровідникових діодів є інжекційна електролюмінесценція тобто генерація оптичного випромінювання в p-n переході.

1 Електронно-дірковий перехід

1.1 Електронно-дірковий перехід за відсутності зовнішньої напруги

Електронно-дірковий перехід, або скорочено р-п-перехід – це тонкий перехідний шар в напівпровідниковому матеріалі на межі між двома областями з різними типами електропровідності: одна – n-типу, інша – p-типу. Електронно - дірковий перехід, завдяки своїм особливим властивостям, є основним елементом багатьох напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. Разом з p-n-переходами в напівпровідниковій техніці використовуються і інші види електричних переходів, наприклад, метал – напівпровідник, а також переходи між двома областями напівпровідника одного типу, відмінними концентрацією домішок. Електронно - дірковий перехід одержують в єдиному кристалі напівпровідника, вводячи в одну область донорну домішку, а в іншу – акцепторну. Атоми домішок при кімнатній температурі виявляються повністю іонізованими. При цьому атоми акцепторів, приєднавши до себе електрони створюють дірки (виходить р - область), а атоми донорів віддають електрони, що стають вільними (створюється n-область) (рис. 1, а). p-n-перехід в якому концентрації основних носіїв заряду в обох областях однакові називають симетричним: n_n = n_p.

В кожній області окрім основних носіїв заряду є неосновні носії, концентрація яких значно менша ніж основних. Наявність неосновних носіїв визначається генерацією електронно - діркових пар при розриві ковалентного зв'язку. Одні і ті ж носії заряду в одній області є основними, а в іншій – неосновними, так що дірок в р- області набагато більше, ніж в n-області, і навпаки, електронів в n-області значно більше, ніж в р-області. Різниця концентрацій приводить до дифузії основних носіїв заряду через межу між двома областями. Дірки дифундують з р- області в n-область, а електрони – з n-області в р-область. Потрапляючи в n-область, дірки рекомбінують з електронами, і у міру їх просування углиб концентрація дірок зменшується. Аналогічно електрони, заглиблюючись в р - область, поступово рекомбінують там з дірками, і концентрація їх зменшується (рис. 1, б).

Дифузія основних носіїв заряду через межу розділу р- і n-областей створює струм дифузії в р-n- переході, рівний сумі електронного і діркового струмів:

I_диф = I_{р диф} + I_{n диф}.

Напрям дифузійного струму співпадає з напрямом дифузії дірок. Відхід основних носіїв заряду з шарів поблизу межі в сусідню область залишає в цих шарах нерухомий об'ємний заряд іонізованих атомів домішки, що не компенсується: відхід електронів – позитивний заряд іонів донорів в n-області, а відхід дірок – негативний заряд іонів акцепторів в р- області (рис. 1, а). Кількість нерухомих зарядів збільшуються ще і за рахунок рекомбінації основних носіїв заряду з носіями заряду протилежного знаку, що прийшли з сусідньої області. В результаті утворення по обидві сторони межі між р- і n-областями нерухомих зарядів протилежних знаків в р-n- переході створюється внутрішнє електричне поле, направлене від n-області до р- області. Це поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв заряду через межу, будучи для них, так званим, потенційним бар'єром. Його дія визначається висотою потенційного бар'єру (рис. 1, в). В результаті появи потенційного бар'єру дифузійний струм зменшується. Подолання потенційного бар'єру можливе тільки для основних носіїв, які володіють достатньо високою енергією. Перехідний шар з якого виходять рухомі носії заряду, називають збідненим шаром. Він володіє більшим питомим опором. Потенційний бар'єр, зменшуючи дифузію основних носіїв заряду, в той же час сприяє переходу через р-n перехід неосновних носіїв. Рух неосновних носіїв заряду під дією внутрішнього електричного поля створює в р-n- переході дрейфовий струм, рівний сумі електронної і діркової складових:

I_др = I_рдр + I_nдр.

Струм, створений неосновними носіями заряду, дуже малий, оскільки їх кількість невелика. Напрям дрейфового струму протилежний дифузійному. За відсутності зовнішньої напруги встановлюється динамічна рівновага, при якій дифузійний струм, що зменшується стає рівним дрейфовому: I_диф = I_др, тобто струм через р-n- перехід рівний нулю. Це відповідає визначеній висоті потенційного бар'єру φ₀. Величина висоти потенційного бар'єру φ₀ в електрон-вольтах чисельно рівна контактній різниці потенціалів U_к у вольтах, створюваної між нерухомими нескомпенсованими зарядами протилежних знаків по обидві сторони межі р-n- переходу : φ₀ = U_к.

В стані рівноваги р-n- перехід характеризується також шириною d₀. Величина φ₀ залежить в першу чергу від матеріалу напівпровідника, а також від температури і концентрації домішки. З підвищенням температури висота потенційного бар'єру дещо зменшується