Учебники 80201

светодиодов зависит от ширины запрещенной зоны, энергии ионизации примесей. Выбирая полупроводник и регулируя его примесный состав, можно получить излучение в нужном диапазоне волн. Взаимодействие электронов и дырок между собой, с примесями и фотонами приводит к уширению спектра, в особенности в его длинноволновой части.

Светодиоды практически безынерционны и без искажений преобразуют электрические импульсы в световые. Это используется для неэлектрических связей между различными блоками автоматики и ЭВМ. Светодиоды используются для считывания различной информации, расшифровки программ станков с ЧПУ, ЭВМ; в качестве индикаторов и для передачи информации с движущихся объектов. Сигналы от светодиодов принимают фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы и т.д.

3.2. Описание установки

Внешний вид установки и ее электрическая схема представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Источник постоянного тока (ИПТ) тумблером “ВКЛ” подключается к потенциометру R. Напряжение и ток светодиода измеряются вольтметром и миллиамперметром.

С помощью этой установки определяется величина потенциального барьера на p-n–переходе.

3.3.Порядок выполнения работы

1.Вывести ручку потенциометра R на минимум подаваемого напряжения. Включить установку в сети и включить тумблер “ВКЛ”, переключатель установить в положение «1». Потенциометром R плавно увеличивать напряжение. В момент зажигания светодиода зафиксировать появление тока в цепи, начиная с этого значения и далее записывать в табл. 3.1 значения тока

через каждые U = 0,1 В.

21

2.Повторить п.1 для второго и третьего светодиода.

3.Построить графики зависимости I = f (U) для

каждого светодиода и определить значение U0

(рис. 3.2).

4.Рассчитать энергию потенциального барьера p-n– перехода по формуле (3.2) для каждого светодиода.

5.Рассчитать по величине энергии потенциального

4. Лабораторная работа №3.09 ИЗУЧЕНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Цель работы: определение параметров фотосопротивления ФСК-1 и изучение его вольт-амперной и световой характеристик.

Оборудование: установка для изучения фотосопротивления ФСК-1, люксметр.

4.1. Теоретическое введение

Проводимость, приобретенная полупроводником под действием света, называется фотопроводимостью. Она обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под влиянием света образуются дополнительные носители

22

тока: электроны и дырки. Увеличение концентрации свободных носителей заряда влечет за собой увеличение проводимости полупроводника. Общая удельная электропроводность полупроводника определяется выражением

где σ0 – основная (тепловая) электропроводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, σф – электропроводимость, вызванная появлением избыточных носителей.

Избыточные носители являются неравновесными: после прекращения освещения они рекомбинируют и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для необлученного полупроводника при данной температуре, называемая “темновой проводимостью”.

Различают собственную и примесную фотопроводимость. Схема образования собственной фотопроводимости показана на рис. 4.1, а. Фотон с энергией hv>Eg поглощается и переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. Образующаяся при этом пара электрон-дырка является свободной и участвует в создании проводимости полупроводника. Красная граница этой проводимости, т.е. максимальная длина волны, при которой свет является еще

Для собственных полупроводников красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра.

На рис. 4.1 показана схема возникновения под действием света дополнительных примесных носителей в полупроводниках n-типа (б) и p-типа (в). В этих случаях фотон с энергией hv>Enp переводит электрон либо с донорного уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны на акцепторный уровень.

Рис. 4.1

23

Красная граница примесной проводимости определяется выражением

пр ch , (4.3)

Eпр

где Епр – энергия активации примесных (донорных или акцепторных) уровней. Примесный фотоэффект возможен лишь в том случае, если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводник необходимо, как правило, охлаждать. Красная граница примесной фотопроводимости соответствует инфракрасной области спектра.

Следует отметить, что фотоэлектрическая активность уменьшается не

Уровни энергии экситонов располагаются вблизи дна зоны проводимости. Так как экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение фотона не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. Возникнув, экситоны некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с фононами, примесными центрами и другими несовершенствами решетки экситоны или рекомбинируют, или разрываются. В первом случае энергия возбуждения передается узлам решетки или излучается в виде квантов света (люминесценция), во втором случае образуется пара носителей – электрон и дырка. Они обусловливают фотопроводимость полупроводника.

Приборы, действие которых основано на явлении фотопроводимости, называют фотосопротивлениями (ФС) или фоторезисторами. Устройство фотосопротивления показано на рис. 4.3. Здесь 1 – полупроводниковый слой, 2 – подложка, 3 – металлические электроды, 4 – защитное лаковое покрытие. Для получения фототока необходимо в цепь последова-

тельно с ФС включить источник постоянного тока. Характеристиками ФС являются: интегральная и спектральная чувствительность, вольтамперная зависимость, постоянная времени, рабочее напряжение, отношение темнового сопро-

24

тивления к световому и световая характеристика.

Интегральная чувствительность ФС определяется как отношение разности токов светового и темнового к световому потоку, падающему на ФС при номинальном значении напряжения:

где Ф – световой поток, определяемый из выражения Ф = E·S; Е – освещенность; S – освещаемая поверхность.

Удельная чувствительность ФС равна отношению фототока к произведению светового потока и приложенного к ФС напряжения U:

У фотосопротивления световая чувствительность примерно в 10 раз выше, чем у вакуумных фотоэлементов. К другим преимуществам полупроводниковых фотосопротивлений перед вакуумными, относятся также высокая стабильность свойств, малые габариты, механическая прочность, простота технологии изготовления. Недостатком фотосопротивлений является инерционность.

Спектральная чувствительность ФС определяется величиной фототока при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. Постоянная времени τ характеризует инертность ФС и численно равна времени, за которое фототок уменьшается в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления.

Вольт-амперные характеристики ФС линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них (рис. 4.4). При большем напряжении на ФС вследствие нагрева происходит разрушение светочувствительного слоя.

Световые характеристики ФС обычно нелинейны (рис. 4.5). Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока IT, т.е. тока, протекающего через ФС при отсутствии освещенности.

4.2.Описание установки

Вработе используются два фотосопротивления типа ФСК-1, изготовленных из сернистого кадмия. Электрическая схема установки приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6

Фотосопротивление ФС1 помещено в светонепроницаемый кожух и включено через усилитель постоянного тока (УПТ). Фотосопротивление ФС2 освещается лампой, яркость которой можно менять с помощью потенциометра R2. Освещенность ФС2 контролируется фотоэлементом ФЭ, связанным с люксметром Lx.

4.3.Порядок выполнение работы

4.3.1.Изучение ВАХ фотосопротивления

1.Тумблером «Сеть» подключить установку к сети.

2.Снять вольт-амперную характеристику ФС1 для темнового тока. Для этого переключатель «К» поставить в положение «1» и, изменяя потенциометром R1 напряжение на ФС от 0 до 15 В строго через каждые 3 В, измерить темновой ток с помощью микроамперметра. Результаты измерений занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Результаты измерений темнового тока

чего переключатель «К» перевести в положение «2» (при этом загорится лампочка, освещающая ФС). Контроль освещенности осуществляется люксметром. С помощью потенциометра R2 установить освещенность

26

Е1 = 50 лк. Далее, изменяя напряжение от 0 до 15 В строго через каждые 3 В, измерить ток Iсв. Повторить опыт при Е2 = 100 лк.

4. Рассчитать значение фототока по формуле Iф = Iсв - Iт и результаты записать в табл. 4.2. При этом значения темнового тока IT взять из табл. 4.1.

5. Построить графики зависимости темнового тока IТ и фототока IФ от напряжения U (для двух освещенностей). Графики расположить в одной координатной плоскости.

Таблица 4.2

Результаты измерений светового тока

4.3.2. Изучение световых характеристик фотосопротивления

1.Переключатель «К» поставить в положение «1» (режим темнового тока). С помощью потенциометра R1 подать на фотосопротивление напряжение U1 = 10 В и измерить темновой ток IT .

2.Перевести переключатель «К» в положение «2». С помощью потенциометра R2 регулируя освещенность ФС от 0 до 100 лк измерить световой ток ICB через каждые 20 лк.

3.Повторить п.1-2 при напряжении U2= 15 В.

4.Рассчитать значение фототока по формуле Iф = Iсв - Iт.

5.Результаты измерений и вычислений записать в табл. 4.3.

6.Построить графики зависимости фототока Iф от освещенности Е для двух напряжений в одной координатной плоскости.

7.По формуле (4.4) вычислить интегральную чувствительность Кф и по формуле (4.5) удельную К0 чувствительности ФС при рабочем напряжении 15 В

иосвещенности 100 лк. Площадь поверхности ФС S=24 мм2.

.

27

Таблица 4.3

Результаты измерений и вычислений

5. Лабораторная работа № 3.10 ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМЛЯЮЩИХ СВОЙСТВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики диода, определение коэффициента выпрямления.

Оборудование: установка для исследования полупроводниковых диодов.

5.1. Теоретическое введение

Физические явления, возникающие в области соприкосновения разнородных твердых тел, называются контактными. Наибольший практический интерес они представляют в полупроводниках.

Контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости называют электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом. Получить p-n-переход непосредственным соприкосновением двух полупроводников практически невозможно.

Существуют следующие методы получения р-n-перехода:

метод сплавления, основанный на вплавлении примеси в монокристалл полупроводника;

метод диффузии акцепторной примеси в донорный полупроводник или донорной примеси в акцепторный полупроводник;

эпитаксиальный метод, состоящий в осаждении на пластину, например, кремния n-типа, с помощью химических реакций из газообразной или жидкой фазы тонкой монокристаллической пленки кремния p-типа;

28

метод ионного легирования, при котором поверхностный слой полупроводника данного типа проводимости с помощью ионного пучка легируется примесью, сообщающей этому слою проводимость противоположного знака.

Рассмотрим равновесное состояние p-n-перехода. Пусть внутренней границей раздела двух областей полупроводников с различным типом проводимости является плоскость MN (рис. 5.1, а). Слева от нее находится полупроводник p-типа, справа - полупроводник n-типа. Энергетическая схема p- и n- областей в момент их мысленного соприкосновения показана на рис. 5.1, б.

Рис. 5.1

Для n-области основными носителями являются электроны, для p- области – дырки. Основные носители возникают вследствие ионизации донорных и акцепторных примесей. При этом будем считать, что примесные уровни ионизированы полностью. Помимо основных носителей эти области содержат неосновные носители, вызванные переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости: n-область – содержит дырки, p-область - электроны. При этом их содержание на несколько порядков ниже, чем основных носителей.

Различие в концентрации однотипных носителей в контактирующих областях полупроводника приводит к возникновению диффузионных потоков электронов из n-области в p-область и диффузионного потока дырок из p- в n- область. При этом область n, из которой диффундировали электроны, заряжается положительно, область p, из которой диффундировали дырки – отрицательно. Объемные заряды простираются в n-область на глубину dn и в p-область на глубину dp (рис. 5.2, а) Между заряженными слоями возникает контактная разность потенциалов, создающая потенциальный барьер, препятствующий переходу электронов из n- в p- область и дырок из p- в n- область. При этом все энергетические уровни, в том числе и уровень Ферми, в n-области понижаются, а в p-области повышаются. Состояние динамического равновесия устанавливается при условии, когда уровни Ферми оказываются на одной высоте (рис. 5.2, а). Высота потенциального барьера 0 равна разности уровней Ферми.

29