Лабораторная работа 9 исследование воздействия света на p-n-переход

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: ознакомление с фотоэффектом в р-n-переходе.

ТЕРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Фотоэлектрический эффект ‑ процесс генерации электронно-дырочных пар, возникающий при освещении области p-n-перехода.

Возникающие при этом в n-области дырки и в p-области электроны являются неосновными носителями тока, для которых поле контактной разности потенциалов является ускоряющим. В результате эти электроны и дырки начинают двигаться в противоположных направлениях и концентрироваться по обе стороны р-n-перехода. Основные носители, для которых поле контактной разности потенциалов является тормозящим, остаются в объеме той области полупроводника, где они образовались.

Электрический ток неосновных носителей заряда, генерируемых падающим светом и прошедших через р-n-переход, и составляет полный фототок I_ф.

Фототок I_ф пропорционален числу носителей, генерируемых светом в единицу времени, а значит и величине светового потока Ф:

I_ф = GФ,

где G - коэффициент пропорциональности.

Если цепь р-n-перехода разомкнута, то на его границах будут накапливаться объемные заряды, препятствующие дальнейшему переходу неосновных носителей. В результате возникает фото-ЭДС, поле которой направлено противоположно полю контактной разности потенциалов, т. е. совпадает по направлению с внешним полем прямого направления.

Определим величину тока, текущего во внешней цепи освещенного р-n-перехода, замкнутого на нагрузочное сопротивление R. Если принять направление тока основных носителей (диффузионного тока I_r) за положительное, то для полного тока будем иметь

I = I_r - I_Н- I_ф,

где I_н ‑ ток неосновных носителей; I_ф ‑ фототок.

Используя зависимость I_r = I_H exp (eU/kT), преобразуем выражение к виду:

I = I_Н [exp (eU/kT) - 1] -I_ф.

Полученное уравнение называется общим уравнением фотоэлемента.

На рис. 9.1 показана вольтамперная характеристика р-n-перехода при отсутствии освещения (Ф = 0) и при воздействии света (Ф ≠ 0).

В озможны режимы работы фотоэлемента как в отсутствии внешнего источника напряжения, так и с внешним источником.

А. Работа освещаемого р-n-перехода при отсутствии внешнего источника напряжения

Этот режим работы р-n-перехода называется вентильным режимом фотоэлемента. Ему соответствует участок АВ вольтамперной характеристики. Режим используется для прямого преобразования световой энергии в электрическую, например, в солнечных батареях КПД таких преобразователей в настоящее время достигает 15‑20 %.

Холостому ходу, когда цепь р-п-перехода разомкнута и ток в цепи равен нулю, соответствует точка В вольтамперной характеристики. В этом случае перенос неосновных носителей тока, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного заряда в n-области и положительного в p-области. На р-п-переходе создается разность потенциалов холостого хода U_xx или фото-ЭДС (отрезок ОВ на вольтамперной характеристике). Фото-ЭДС зависит от падающего светового потока нелинейно. Для наиболее распространенных фотоэлементов фото-ЭДС достигает, примерно, 1 В.

В режиме короткого замыкания (точка А вольтамперной характеристики), когда сопротивление внешней цепи равно нулю (и напряжение U = 0), ток короткого замыкания I_кз будет равен фототоку (отрезок ОА на вольтамперной характеристике) I_кз = - I_ф = - СФ и будет зависеть от падающего светового потока линейно.

В промежуточном между холостым ходом и коротким замыканием режиме (участок АВ вольтамперной характеристики), когда р-п-переход замкнут на внешнее нагрузочное сопротивление R, ток через переход определяется общим уравнением фотодиода, где следует положить U = - IR.

Б. Работа освещаемого р-п-перехода с внешним источником напряжения

Режим, при котором к фотодиоду прикладывается внешнее напряжение в обратном направлении, называется фотодиодным. Ток через р-п-переход в отсутствии освещения называется темновым: I_T = I_г - I_н. Фототок I_ф может быть определен как разность между полным током I, измеренным в фотодиодном режиме, и темновым током:

I_ф = I – I_T = GФ.

Поскольку линейность между фототоком I_ф и световым потоком Ф сохраняется в широком диапазоне изменения светового потока, фотодиодный режим используется для измерения потоков лучистой энергии.

Рабочим участком вольт-амперной характеристики фотодиода является участок АС.

АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

В данной работе используется кремниевый фотодиод ФД-27. Устройство фотодиода схематически показано на рис. 9.2. На металлическую подложку 1, служащую одним из электродов, наносится полупроводник 3 (например, n-полупроводник). На этом слое располагается слой p-полупроводника 4, который и освещается потоком падающего света 5. Участок поверхности р-полупроводника контактирует со вторым металлическим электродом 7.

Поверхность р-полупроводника покрывается защитным слоем 6, прозрачным для падающего излучения. Поскольку свет должен проникать до области р-n-перехода, то толщина d слоя p-полупроводника делается малой, чтобы поглощением света в нем можно было пренебречь. Обычно d = 0,01 ‑ 1 мкм. Все устройство помещается в корпус 2.

Оптическая схема измерительной установки приведена на рис. 9.3. Источником света является гелий-неоновый лазер Л, испускающий монохроматический поляризованный свет с длиной волны λ = 0,63 мкм.

В этой области спектра чувствительность кремниевого фотодиода близка к максимальной. Так как данная установка служит одновременно для измерения длины волны лазера дифракционным методом, в ней имеется отражательная дифракционная решетка, создающая дифракционную картину на двух экранах. Исследуемый в данной работе фотодиод помещен на месте второго максимума на экране 2. Между лазером и фотодиодом помещается поляроид А, служащий для изменения интенсивности светового потока, облучающего фотодиод. Действительно, поскольку лазер испускает поляризованный свет, то, вращая поляроид, можно изменять световой поток Ф, падающий на фотодиод.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях.

К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Электрическая измерительная схема (рис. 9.4), подключенная к фотодиоду, обеспечивает его работу в вентильном и фото диодном режимах.

Н апряжение на фотодиод от источника питания подается с помощью ручки регулировки напряжения на ампервольтметре Щ-4300. Фототок определяется с помощью ампервольтметра Щ-4133.

Порядок выполнения работы

1. Переключить тумблер в положение «выкл». Вращая поляроид, добиться положения, при котором освещение фотодиода практически отсутствует.

2. Изменяя внешнее обратное напряжение при помощи ручки регулировки ампервольтметра от максимального значения до нуля, измерить значения фототока (участок ОД вольтамперной характеристики) без освещения фотодиода. Максимальное значение U во избежание пробоя фотодиода не должно превышать 4 ‑ 5 В. Данные занести в таблицу.

3. Повернув поляроид в положение, соответствующее максимальному значению фототока, измерить значения фототока (участок АС вольтамперной характеристики) максимально освещенного фотодиода при тех же значениях внешнего обратного напряжения. Данные занести в таблицу.

4. Не меняя значения светового потока, переключить тумблер в положение «вкл». Измерить ток короткого замыкания I_кз (U = 0) (точка А вольтамперной характеристики), а затем измерить значения фототока (участок АВ характеристики). Результаты всех измерений занести в таблицу.

5. Определить величину фототока.

1. Построить вольтамперные характеристики освещенного и неосвещенного фотодиода.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Что такое фотоэлектрический эффект?

Какой участок вольтамперной характеристики является рабочим прямой или обратный?

Каковы режимы работы фотодиода?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список основной литературы

1. Гуревич А. Г. Физика твердого тела. СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

2. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000.

Список дополнительной литературы

1. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982.

2. Голубин М. А., Хабибулин И. М., Шестопалова В. И. Введение в лабораторный практикум. Элиста: Джангар, 1997.

3. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

4. Шалимова К. В. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1986.

5. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.