_3_1-1

51

Рис. 26 возбуждение электронов и дырок (если для образования пары электрон-дырка

нужно затратить энергию ∆E , то на один электрон ∆E/2 ). Концентрации электронов и дырок одинаковы и быстро возрастают с ростом температуры Т по закону:

где ∆Е- ширина запрещенной зоны, к- постоянная Больцмана, С- константа. По этому же закону возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление полупроводника:

Примесная проводимость полупроводников

Наличие примесей в чистом полупроводнике влияет на движение электронов и их энергетические состояния и может во много раз увеличивать их проводимость. Например, ввод в кристаллическую решетку четырехвалентного германия (Ge) пятивалентного мышьяка (As) оставляет один электрон свободным от ковалентных связей, и при тепловых колебаниях он легко становится электроном проводимости. В полупроводнике возникает электронная примесная проводимость (n-типа). Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорами.

Если же валентность примеси на единицу меньше валентности атомов полупроводника (например, при внедрении трехвалентных атомов бора (В) в решетку четырехвалентных атомов кремния (Si)), одна из валентных связей оказывается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в решетке как свободных положительных зарядов. В этом случае в проводнике возникает дырочная проводимость (p-типа), а примеси называются акцепторами.

52

По зонной теории внедрение в полупроводник доноров приводит к возникновению в запрещенной зоне донорного энергетического уровня D, заполненного валентными атомами примеси. Этот уровень расположен близко от дна зоны проводимости (в случае Gе ∆ED=0.013 эВ, т.е. ∆ЕD < кТ). Поэтому уже при обычных температурах электроны примесного уровня перебрасываются в зону проводимости (свободных дырок при этом в валентной зоне не возникает) (рис. 27 а).

Введение в полупроводник акцепторов приводит к возникновению в запрещенной зоне акцепторного энергетического уровня А, не занятого электронами. Этот уровень расположен близко от верхнего края валентной зоны (в случае Si ∆ЕА =0.08 эВ < кТ). Это приводит уже при низких температурах к переходу электронов из валентной зоны на примесные уровни, и в валентной зоне в качестве основных носителей появляются дырки (см. рис.

27 б).

Рис. 27

Таким образом, в примесных полупроводниках n-типа (донорные) основными носителями являются электроны, т.е. отрицательные заряды, а в полупроводниках р-типа (акцепторные)- дырки, т.е. как бы положительные заряды.

Поскольку в собственной проводимости полупроводника участвуют одновременно и электроны и дырки, то в примесном полупроводнике n-типа в качестве неосновных носителей имеются дырки, а в р-типа- электроны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми ЕF. При Т=0 К в полупроводниках n-типа он

53

расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем, а в п олупроводниках р-типа- посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем. С ростом температуры и в том и в другом случае уровень Ферми имеет тенденцию смещаться к середине запрещенной зоны.

Контакт двух полупроводников (n-р переход)

Граница соприкосновения полупроводников разных типов называется электронно-дырочным переходом (или n-р переходом). Эти переходы являются основой работы многих полупроводниковых приборов. Соприкосновение таких полупроводников приводит к диффузии электронов из n-полупроводника, где их концентрация выше, в р - полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия дырок происходит в обратном направленииот р к n. В результате образуется двойной электрический слойизбыточный положительный заряд в n-области (т.к. электроны ушли) и избыточный отрицательный заряд в р- области (рис. 28а). Образующееся при этом электрическое поле, направленное от n к р, препятствует дальнейшему движению электронов и дырок.

Рис. 28

С точки зрения энергетических уровней при определенной толщине n-р перехода наступает равновесное состояние, при котором выравниваются уровни Ферми для обоих полупроводников (см. рис. 28б).

В области n-р перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. В

54

состоянии равновесия небольшому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, в результате чего течет ток Iосн.

Этот ток компенсируется током неосновных носителей, которые легко “скатываются” с потенциального барьера. Величина Iнеосн. от высоты потенциального барьера не зависит, а I осн. существенно растет при

уменьшении потенциального барьера, когда к переходу не приложено

напряжение Iосн. = Iнеосн.

Когда внешнее напряжение подключено плюсом к р - области, а минусом к n-области (прямое напряжение; см. рис. 28 в), высота потенциального барьера уменьшится и ток Iосн. возрастет, а ток Iнеон. практически не изменится. В итоге результирующий ток быстро нарастает. При обратном напряжении, когда плюс подключен к n-области (см. рис. 28 г), потенциальный барьер увеличивается и ток основных носителей уменьшается. Результирующий ток обратного направления быстро достигает насыщения и будет определяться слабым током Iнеосн. Таким образом, n-р переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Это объясняется тем, что поле, возникающее при наложении обратного напряжения, “оттягивает” основные носители от границы между областями, что увеличивает ширину переходного слоя, обедненного носителями заряда. Т.е. n-р переход обладает односторонней проводимостью.

Фотопроводимость полупроводников

Как уже отмечалось, в полупроводниках электроны попадают из валентной зоны в зону проводимости, получая необходимую энергию ∆Е для преодоления запрещенной зоны под действием внешних факторов. Одним из таких факторов является энергия поглощенных световых фотонов hν.

Рис. 29 В случае чистого полупроводника собственная фотопроводимость (т.е.

увеличение числа электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне) возникает, когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны hν ≥ ∆Ε , т.е. у этого внутреннего фотоэффекта существует красноволновая граница λ0 = c h ∆Ε (рис. 29 а).

55

Если проводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать (см. рис. 29 б) и при больших длинах волн (меньших частотах). Для донорного полупроводника (n-типа) энергия фотона должна быть больше лишь энергии активации ∆Еn , чтобы перевести электроны с донорных уровней D в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 29 в). В результате возникает примесная фотопроводимость, красноволновая граница для которой находится, как правило, в инфракрасной области λ0 = c h ∆Εn .

Описание установки и метода измерений. Электрическая схема установки для снятия вольтамперной характеристики полупроводникового диода представлена на рис. 30.

Рис. 30 Диоды Д1 и Д2 служат для преобразования переменного тока в постоянный,

при этом с помощью переключателя К1 можно подавать на исследуемые диоды Д3 (германиевый) и Д4 (кремниевый) напряжение как в прямом (проводящем) направлении, так и в обратном (закрытом) направлении. Переключатель К2 позволяет исследовать электрические свойства диодов Д3 и Д4 каждый по отдельности.

Порядок выполнения работы.

1.Выводят потенциометр R в крайнее левое положение. Включают в сеть переменного тока макет, источник питания, вольтметр В7-27 и амперметр Щ4300. Переключатель К1 ставят в положение “Пр”- прямой ток, переключатель К2- в положение Ge.

2.Изменяя потенциометром R напряжение на исследуемом диоде, измеряют силу тока в цепи, используя на вольтметре диапазон 1В, на амперметре-20 мА.

56

Напряжение увеличивают с шагом 0.05 В до достижения максимального значения. Результаты измерений заносят в таблицу.

Прямой ток

3. Переводят переключатель К1 в положение “Обр.”- обратное (закрытое) направление. Измеряют силу тока через диод при значениях напряжения, указанных в таблице, используя на вольтметре диапазон 10В, на амперметре-

200 мкА-2 мА:

Обратное направление тока

U

I

,мк

А

4.Переводят переключатель К2 в положение Si и проводят измерения, описанные в пунктах 2 и 3, для кремниевого диода.

5.Строят вольтамперные характеристики двух диодов на одном графике: напряжениепо оси X, сила токапо оси Y.

6.Вычисляют дифференциальное сопротивление диодов при напряжениях

U1=0.3В и U2=-10В.

7.Составляют заключение по работе, в котором проводят сравнительный анализ вольтамперных характеристик кремниевого и германиевого диодов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Объясните явления, происходящие в зоне р-n перехода.

2.Как изменяется положение зоны проводимости и валентной зоны при включении диода в прямом и обратном направлениях?

3.Начертите и объясните зонные схемы донорных и акцепторных полупроводников.

4.Объясните поведение уровня Ферми в донорных и акцепторных полупроводниках.

5.Чему равна ширина энергетического интервала между подуровнями в чистом кристалле, содержащем 0,17 моля простого вещества при ширине запрещенной зоны Е = 10 эВ?

57

6. При какой температуре концентрация донорных носителей в кристалле уменьшается в два раза по сравнению с комнатной температурой, если донорный уровень находится на 0,012 эВ ниже зоны проводимости?

58

РАБОТА 7

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Приборы и принадлежности: фотосопротивление ФСК-1, вольтметр, амперметр, набор светофильтров, источник тока, оптическая скамья с источником света и держателем фотосопротивления.

Цель работы: снятие вольтамперной характеристики фотосопротивления, изучение его интегральной чувствительности и

спектральных характеристик.

Описание установки и метода измерений. Измерительная установка (рис.

31) состоит из источника света 1 на подвижном штативе (лампа накаливания с силой света I = 21 Кд); фотосопротивления (ФС) 2; микроамперметра, вольтметра, потенциометра R для регулирования напряжения на фотосопротивлении, источника постоянного тока ε, выключателя К и набора светофильтров 3.

Рис. 31

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Снятие вольтамперной характеристики фотосопротивления.

1.Ручку потенциометра R поворачивают влево до упора; включают блок питания в сеть.

2.Ручкой “регулятор напряжения” устанавливают на блоке питания напряжение 30В. Переключатель К переводят в положение “вкл..”

3.При выключенном источнике света снимают зависимость темнового тока

iT от напряжения (с шагом 2.5 В) на ФС. Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Таблица 1.

iT , µA

59

r1 iC , µ

r2 iC , µ

r3 iC , µ

r1 iФ , µ

r2 iФ , µ

r3 iФ , µ

4.На оптической скамье устанавливают источник света на расстоянии r1 от фотосопротивления. Включают источник света, убедившись, что ручка потенциометра R повернута против часовой стрелки до упора.

5.При неизменной освещенности Е, подавая на ФС те же значения

напряжения, что и для темнового тока, измеряют значения силы тока iC и записывают в таблицу 1.

6.Используя формулу iФ = iC - iT , рассчитывают силу фототока iФ.

7.Снимают вольтамперную характеристику ФС еще для двух значений расстояния r2 = 33 см, r3 = 23 см.

8. По рассчитанным значениям iФ строят график зависимости фототока от напряжения.

Задание 2. Определение удельной интегральной чувствительности фотосопротивления (ФС).

1. Рассчитывают значения светового потока Ф, создаваемого точечным источником света с силой света I, для трех положений источника света r1 = 43

см, r2 = 33 см, r3 = 23см.

Освещенность поверхности ФС прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от него до освещаемой поверхности:

Ε= rΙ2 .

Сдругой стороны, освещенность Е – это величина, равная световому потоку

Ф, приходящемуся на единицу площади S поверхности, нормальной к направлению световых лучей:

Ε = ΦS .

Приравнивая выражения для Е, получаем, что

Φ = Ιr 2S .

Площадь светочувствительной поверхности фотосопротивления S = 0.3 см2. Для монохроматического света фототок

iФ = К0 ∙ Ф ∙ U,

60

где К0 – удельная интегральная чувствительность фотосопротивления, U – напряжение на ФС.

Расчет К0 проводится для значений U = 15В и I = 21Кд, а значение iФ берется из табл.1 для r1, r2, r3. Результаты расчета Ф и К0 заносятся в таблицу 2.

Таблица 2.

Задание 3. Исследование спектральных характеристик ФС.

1.Источник света ставят в положение r2 = 33 см.

2.Ручкой потенциометра устанавливают напряжение 15В.

3.Вставляя поочередно каждый светофильтр в гнездо, расположенное на источнике света, замеряют фототок iФ и записывают в табл. 3.

4.Строят график зависимости силы фототока iФ от длины волны света. Таблица 3

Теоретически величина фототока должна почти не зависеть от длины волны света вплоть до некоторой максимальной λ-красной границы фотоэффекта, определяемой условием:

∆Е=h*c/λk

или

λr=h*c/∆E.

Однако на практике фототок начинается при длинах волн несколько больших λk, что связано с существованием в полупроводниках донорных примесей. Перевод электронов с донорного уровня в зону проводимости требует меньшей энергии, чем из валентной зоны. Величина λk может быть найдена из графика іφ =ƒ*(λ) как точка пересечения кривой с осью абсцисс.

5. Написать заключение по работе, в котором дать сравнительную характеристику кривых ФС при различных значениях r, привести значения и погрешности удельной интегральной чувствительности ФС, дать оценочное значение красной границы фотоэффекта.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.В чём заключается физическая сущность внутреннего фотоэффекта?

2.Дать определения основных характеристик ФС.

3.Чем обусловлен темновой ток?