методичка.тверде тіло

21

10 В, починаючи від нуля й до повного вимикання потенціометра П. Дані вимірів напруги та сили фотоструму записати в табл.. 2.

3.Виміри згідно з пп. 1 і 2 повторити для двох інших положень фотоопору відносно джерела світла.

4. Побудувати на одних і тих самих осях координат 3 графіки залежності

I = ƒ(U).

Таблиця 2

Завдання 3. Визначення світлових характеристик фотоопору.

1.Помістити фотоопір на відстані r0 = 90 см від джерела світла й подати на фотоелемент за допомогою потенціометра П напругу U.

2.Переміщуючи ФО до джерела світла, вимірювати силу фотоструму через кожні 10 см.

3.Записати до табл. 3 значення фотоструму.

Таблиця 3

4. Для кожного положення ФО (через 10 см) обчислити освітленість за

формулою Е = ісв , де ісв – сила світла лампи розжарювання. Результати

r02

обчислень записати до таблиці.

5.Виміри згідно з пп. 2-4 повторити для двох інших значень напруги на фотоопорі.

6.Побудувати три графіки світлових характеристик ФО іф = ƒ(Е), відкладаючи на осі Х освітленість, а на осі У – відповідні значення сили фотоструму. Зробити висновок.

22

Контрольні запитання

1.У чому суть явища внутрішнього фотоефекту у власних і домішкових напівпровідниках з точки зору зонної теорії.

2.Пояснити умову червоної межі фотопровідності.

3.Як улаштований фотоопір?

4. Пояснити існування темного струму через фотоопір.

5.Чим зумовлена велика інерційність фотоопорів?

6.Назвіть основні характеристики фотоопорів, їх недоліки і переваги.

7.Де застосовують фотоопори?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 315

ВИВЧЕННЯ ВЕНТИЛЬНОГО ФОТОЕФЕКТУ

Мета роботи – познайомитись з вентильним фотоефектом, вивчити світлові характеристики вентильного фотоелемента й обчислити його інтегральну чутливість.

Прилади й обладнання: установка з кремнієвим вентильним фотоелементом, магазин опорів, мікроамперметр, лампа розжарювання.

Теоретичні відомості

Вентильний фотоефект (або фотоефект запірного шару) полягає в тому, що при освітленні межі розподілу між двома напівпровідниками з різними типами провідності виникає електрорушійна сила. Це явище використовується в фотоелементах із запірним шаром (вентильних фотоелементах), які можуть бути індикаторами променистої енергії, що не вимагають зовнішнього живлення й безпосередньо перетворюють світло в електричний струм, тобто фотоелементи є своєрідними генераторами електричної енергії.

Розглянемо фізичні процеси, які перебігають при освітленні р-n переходу. При цьому, наприклад, з боку n-області світлом, енергії кванта якого вистачає для створення пари електрон-дірка; біля межі розподілу утворюються пари електрон-дірка. Утворені вільні електрони й дірки беруть участь у тепловому русі й переміщуються в різних напрямах, в тому числі й до р-n переходу.

Контактне поле р-n переходу розділяє головним чином неосновні надлишкові носії заряду, які до нього дифундують: дірки, що підійшли до р-n переходу, підхоплюються полем контактної різниці потенціалів Uк і викидаються в р-область, а електрони залишаються в n-області. Унаслідок цього електронна область заряджається негативно, а діркова – позитивно. При цьому виникає деяка рівноважна різниця потенціалів Uф, або фото ЕРС і електричне поле, напрямлене протилежно до контактного поля, яке частково компенсує потенціальний бар’єр р-n переходу (qUк) при даній освітленості.

Концентрація утворених світлом надлишкових носіїв заряду р-n переходу, а також значення фото ЕРС, залежать від інтенсивності падаючого світла.

23

Із зростанням інтенсивності падаючого світла фото ЕРС Uф збільшується, але вона не може стати більшою, ніж контактна різниця потенціалів Uк. яка існує між р- і n-областями р-n переходу.

Якщо освітлений р-n перехід увімкнути в замкнене коло, то в ньому потече струм, напрямлений від р- і n-області, який призводить до знищення надлишкової концентрації електронів і дірок.

Якщо р-n перехід замкнений накоротко, то надлишкові, розділені переходом носії заряду матимуть можливість циркулювати через короткозамкнене коло, створюючи максимально можливий струм короткого замикання ік. При цьому ніякого скупчення створених під дією світла зарядів в р- і n-областях не виникає, а потенційний бар’єр (qUк) матиме ту саму висоту, що й в темряві (Uф = 0).

Якщо р-n перехід замкнений на зовнішній опір (навантаження), то в колі тече струм ін і на навантаженні виникає напруга.

Кожен фотоелемент характеризується рядом параметрів і характеристик, які визначають не тільки його властивості, а й межі його застосування в техніці. Основні з них: вольт-амперна, світлова, частотна, спектральна чутливість, ККД.

Навантажувальні вольт-амперні характеристики виражають залежність струму навантаження від напруги на фотоелементі Uн при вмиканні його на різноманітні опори навантаження Rн і сталій освітленості

ін = ƒ(Uн), при Е = const

Світлові характеристики виражають залежність фото ЕРС струму короткого замикання і струму навантаження від освітленості або світлового потоку Ф

Uф = ƒ(Е); ік = ƒ(Е); ін = ƒ(Е).

Як видно з рис. 3, струм у широких межах зміни світлового потоку пропорціональний до нього (ікз = к Ф ), а фото ЕРС прагне до насичення.

Характеристика ін = ƒ(Е) нелінійна. Її не лінійність тим більша, чим більший опір навантаження.

Частотні характеристики виражають залежність струму в колі фотоелемента від частоти модуляції світлового потоку при сталій освітленості й опорі навантаження ін = ƒ( м). Із збільшенням н сила струму ін зменшується внаслідок інерційності фотоприймачів.

Спектральні характеристики виражають залежність фотоструму на одиницю падаючого світлового потоку від довжини хвилі падаючого світла.

іф = ƒ( ).

Ф

Інтегральна чутливість - відношення струму короткого замикання в колі фотоелемента до падаючого світлового потоку від лампи розжарювання, вольфрамова нитка якої має температуру 2848 К,

j = Фік .

24

У межах лінійної залежності струму ік від значення потоку це стала величина для даного типу фотоелемента.

Спектральна чутливість j - відношення струму короткого замикання в колі фотоелемента до падаючого на нього світлового потоку монохроматич-

Чутливість зменшується нелінійно і в області коротких, і в області довгих хвиль.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) – це відношення потужності, що виділяється фотоелементом на навантаженні, до падаючого світлового потоку:

= ін Uн .

Ф

При використанні фотоелемента як перетворююча енергії сонячного випромінювання в електричну найефективнішими є кремнієві фотоелементи, теоретичний ККД який становить близько 25%. Кращі зразки мають 15%.

Вентильні фотоелементи виготовляють із селени, кремнію, сірчаного срібла та інших напівпровідникових матеріалів. Вони знаходять широке застосування в автоматиці, фотометричних приладах (експонометрах, фотометрах, люксметрах), сонячних і атомних батареях та інших пристроях.

Режим роботи р-n переходу при його освітленні, коли до нього прикладено зовнішню напругу в запірному напрямі, називається фотодіод ним, а прилад, який працює в цьому режимі, - фотодіодом (рис. 4,а). Коли напруга прикладена до фотодіодів, відсутня (U = 0), ми маємо справу з фотоелементом; у разі відсутності освітленості ( Ф = 0) – з діодом, увімкненим у запірному напрямі.

Якщо до р-n переходу прикладено напругу в запірному напрямі, то різко зростає потенціальний бар’єр для основних носіїв заряду і струм через р-n перехід визначається потоком неосновних носіїв, що проходять через р-n перехід, для яких потенціальний бар’єр відсутній. Темновий струм через фотодіод дорівнює іт, при освітленні струм зростає за рахунок додаткових неосновних

носіїв заряду: і = іф + іт.

Величина темнового струму іт стала для даної температури переходу, а величина фотоструму іф прямо пропорційна світловому потоку Ф, а отже, і загальний струм пропорційний світловому потоку: І = кФ.

Світловий струм виконує в цьому випадку роль емітера, він інжектує носіїв заряду в напівпровідник, які, дифундуючи до р-n переходу, збільшують струм у колі фотодіода.

Фотодіоди, як і фотоелементи, широко застосовуються в техніці: у схемах вимірювальних пристроїв і датчиків, де значення виходу електричного сигналу пов’язане лінійною залежністю з освітленістю світлочутливої поверхні, у схемах релейної дії, які спрацьовують при досягненні порогового значення освітленості і т.п. При цьому фотодіоди можуть працювати як у фотодіодному режимі, так і в режимі фото ЕРС. Від фотоелементів із зовнішнім фотоефектом фотодіоди вигідно відрізняються малими габаритними розмірами і вагою, високою інтегральною чутливістю й невеликою робочою напругою.

25

Опис установки

Установка для вивчення вентильного фотоефекту являє собою циліндричну трубу, внутрішні стінки якої поглинають світло. Лампа розжарювання (джерело світла) встановлюється на одному кінці труби. На протилежному кінці знаходиться фотоелемент, який можна переміщувати вздовж осі циліндра й закріплювати на бажаній відстані від лампи. Ця відстань вимірюється міліметровою шкалою на зовнішній поверхні циліндра.

Виконання роботи

Завдання 1. Обчислення інтегральної чутливості вентильного фотоелемента. 1.Зібрати схему, зображену на рис. 5.

2.Встановити фотоелемент на відстані r0 від джерела світла й при вимкненому магазині опорів (Rн = 0) зняти покази мікроамперметра ік, що відповідають струму короткого замикання.

3.Виміри повторити ще два рази, потроху змінюючи r0.

4.За значеннями ік і r0 (відповідно для кожного досліду) обчислити значення інтегральної чутливості за формулою

j = Аік r02 ,

ісвD2

де ісв – сила світла лампи розжарювання; D – діаметр діафрагми фотоелемента. 5. Одержані результати записати до табл. 1.

Завдання 2. Визначення світлових характеристик вентильного фотоелемента. 1.Встановити на магазині Rм опір навантаження, значення якого пропонує

викладач.

2.Змінюючи відстань r0 між лампою й фотоелементом від 40 до 90 см через кожні 10 см, зняти значення фотоструму.

3.Повторити п.2 для двох інших опорів навантаження і одержані результати вимірів записати до табл. 2.

26

4.Для даних опорів навантаження побудувати графіки залежності фотоструму іф від освітленості Е, відкладаючи вздовж осі Х значення освітленості, які обчислити за формулою

Е = ісв , r02

де ісв – сила світла джерела; r0 – відстань між лампою й фотоелементом. По осі У відкладати значення сили фотоструму. Зробити висновок.

Контрольні запитання

1.Як пояснити механізм власної й домішкової провідності напівпровідників з точки зору зонної теорії твердого тіла?

2.Поясніть явище виникнення фотогальванічного ефекту при освітлюванні р-n переходу. Чим обмежене максимальне значення фото ЕРС фотоелемента?

3. Що таке інтегральна чутливість фотоелемента?

4.Поясніть світлові, спектральні й частотні характеристики фотоелемента. 5. Назвіть основні матеріали, з яких виготовляють фотоелементи й галузі

застосування фотоелементів.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 316

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА

Мета роботи – визначення вольт-амперної характеристики германієвого діода та коефіцієнта випрямлення. .

Прилади й обладнання: установка для дослідження напівпровідникового діода, мікро-амперметр, вольтметр.

Теоретичні відомості

Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий пристрій з одним р-n переходом. р-n перехід – це межа стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а другий – діркову провідність.

Напівпровідник n-типу можна одержати, якщо в кристал з 4-валентних атомів (наприклад, германію) додати невелику кількість 5-валентної домішки (фосфору). Чотири валентних електрона домішки обумовить хімічний зв'язок з 4 сусідніми атомами германію. Один же валентний електрон атома домішки практично не приймає участі у хімічному зв’язку і його легко відірвати від

27

атома домішки за рахунок енергії теплового руху. З точки зору зонної теорії це відповідає переходу електрона з донорного рівня в зону провідності. Цей перехід електрона більш імовірний, ніж з валентної зони в зону провідності, який супроводжується утворенням дірки в валентній зоні. Тому в напівпровіднику n-типу електронів більше, ніж дірок і вони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Напівпровідник р-типу можна одержати, якщо у кристал 4-валентного германію, наприклад, ввести невелику кількість 3-валентної домішки (індію, бору, тощо) тоді один хімічний зв’язок з атомом домішки не заповнений і для цього електрон позичається у сусіднього атома основного напівпровідника, у якого утворюється не скомпенсований позитивний заряд або дірка, яких у напівпровіднику більше ніж електронів і дірки є основними носіями електричних зарядів, а електрони – неосновними.

Розглянемо процеси, що відбуваються при стиканні напівпровідника n- типу і р-типу. За рахунок дифузії електрони, які є основними носіями струму в n-напівпровіднику, будуть дифундувати в напівпровідник р-типу. Дифузія ж дірок буде відбуватись у зворотному напрямі (рис. 316.1). При цьому в напівпровіднику n-типу поблизу межі стикання утворюється нескомпенсований позитивний об’ємний заряд іонізованих донорів. В р-напівпровіднику відповідно виникає від’ємний заряд акцепторних іонів. Ці об’ємні заряди створюють на межі стикання подвійний електричний шар, тобто виникає внутрішнє електричне поле, яке напрямлене з n-напівпровідника в р- напівпровідник (рис.316.1). Контактна різниця потенціалів становить приблизно кілька десятих вольта, товщина подвійного електричного шару порядку 10-7 – 10-6 м. Напруженість електричного поля в області переходу Ек сягає 108 В/м. Рух основних носіїв заряду створює дифузійний струм.

Подвійний електричний шар є потенціальним бар’єром для основних носіїв струму. Неосновні ж носії струму будуть рухатись до межі розподілу під дією внутрішнього електричного поля, створюючи дрейфовий струм. В напівпровідниковому пристрої встановиться теплова рівновага, коли дифузійний струм основних носіїв заряду буде дорівнювати дрейфовому струму неосновних носіїв заряду, і струм через р-n перехід в цьому випадку не буде проходити.

Рис.316.1 P-n перехід в рівноважному стані.

Порушити рівновагу електронно-діркового переходу можна зовнішнім електричним полем. Характер проходження струму і його величина залежить не тільки від величини прикладеної напруги, а й від її полярності.

28

Розглянемо випадок, коли зовнішнє поле протилежне за знаком контактному електричному полю р-n переходу (рис.2), тобто зовнішнє поле напруженістю Е напрямлено на зустріч власному полю Ек . Таке включення називають прямим. Воно призводить до зменшення висоти потенціального бар’єра для основних носіїв заряду і вони будуть

При збільшенні зовнішньої прямої напруги прямий струм через перехід зростає і може сягати великих значень, бо він обумовлений, в основному, рухом основних носіїв заряду, концентрація яких в обох областях велика.

Розглянемо тепер властивості р-n переходу, до якого підключене зовнішнє поле, яке за напрямом співпадає з внутрішнім контактним полем (рис.).В цьому випадку потенціальний бар’єр зростає, кількість основних носіїв,здатних його здолати, різко зменшується, бо вони тепер під дією зовнішнього поля будуть рухатись від межі розподілу, тобто товщина р-n переходу зростає.

Рис.316.3 P-n перехід при зворотньому включенні

Для неосновних носіїв (дірок в n-напівпровіднику та електронів в р- напівпровіднику) напрямок зовнішнього і внутрішнього поля сприяє їх руху до межі стикання напівпровідників тобто для них потенціальний бар’єр відсутній. Отже при зворотному включенні переважну роль відіграє дрейфовий струм, тобто струм, обумовлений рухом зарядів під дією електричного поля. Оскільки концентрація неосновних зарядів у напівпровідниках в ≈ 106 раз менша в порівнянні з концентрацією основних носіїв заряду, то вони створюють

(залежністю сили струму від напруги) яка наведена на рис. 4 і показує, що величина струму через р-n перехід залежить від напряму прикладеної напруги

29

та її величини. Аналітично вольтамперна характеристика р-n переходу визначається формулою

eU

I = I0 (e kT - 1),

де I0 – зворотній струм насичення р-n переходу, який визначається фізичними властивостями напівпровідникового матеріалу, U – напруга, яка прикладена до р-n переходу(прямого напрямку U 0; для зворотного U<0) е – заряд електрона,

к –стала Больцмана, Т- абсолютна температура.

При збільшенні зворотної напруги відбувається пробій р-n переходу, при якому зворотний струм різко збільшується.

Розрізняють електричний (зворотний) і тепловий (незворотний) пробої. Отже, з аналізу вольт амперної характеристики слідує, що напівпровідниковий, як і звичайний діод має односторонню провідність.

Істотні переваги напівпровідникових діодів забезпечили їм значне поширення. Вони мають невеликі габарити, практично необмежений строк служби, високий ККД (до 99%), відсутність джерела для кола розжарювання, високу експлуатаційну надійність. Основна галузь застосування діодів – схема випрямляючих пристроїв. Крім того, вони широко використовуються в різних схемах автоматики, електроніки, радіотехніки. Сучасні діоди за типом матеріалу, з якого вони виготовлені поділяють на дві основні групи: германієві й кремнієві, а за конструктивно-технологічними ознаками – на площинні й точкові. Завдяки відносно великій площині р-n переходу, площинні діоди витримують значний струм, тому їх іноді називають силовими й використовують для випрямлення струму.

Випрямляючі властивості діодів характеризуються коефіцієнтом випрямлення , який дорівнює відношенню прямого струму Iпр до зворотного Iзв, що вимірюються при однакових значеннях прямої Uпр і зворотної Uзв напругах. Чим більше , тим сильніше виявляється властивість однобічної провідності діода, та краще він працює у випрямляючих схемах.

Опис установки

Установка для дослідження властивостей напівпровідникового діода конструктивно виконана в закритій моделі(рис.316.5) На панелі корпуса розташовані амперметр, вольтметр, червона кнопка за допомогою якої подається напруга на напівпровідниковий діод, дві кнопки чорного кольору для прямого зворотного включення, регулятор напруги.

30

Рис.316.5 Вигляд установки та її електрична схема

Б – джерело постійного струму; RН – регулятор напруги; ПНС – перемикач напряму струму; A – мікроамперметр; V – вольтметр; А – амперметр; D – досліджуваний діод.

Виконання роботи

1.Увімкнути установку в мережу змінного струму.

2.Поставити регулятор напруги у крайнє ліве положення і натиснути червону кнопку.

3.Кнопкою «прямий струм» увімкнути напівпровідниковий діод у прямому (пропускному) напрямі.

4.Регулятором напруги змінювати напругу, що подається на напівпровідниковий діод через 0,1 В до 0,7 В вимірюючи значення струму в мА по нижній шкалі амперметра. Результати вимірювань напруги і відповідного значення сили струму записати у таблицю.

5.Поставити регулятор напруги у крайнє ліве положення.

6.Кнопкою «зворотна напруга» подати напругу у зворотному напрямі. 7.Подати напругу 0,5 В і виміряти силу струму по верхній шкалі

амперметра.

8.Повторити п.7 для напруг, рівних 10 В, 20 В, 30 В, 40 В. Результати вимірювань записати у таблицю і виключити установку.

9.Побудувати графік вольт амперної характеристики для досліджуваного діода, відкладаючи на осі абсцис значення напруги, а на осі ординат силу струму. Прямі напругу і струм відкладають на додатних півосях, а зворотні – на від’ємних.

10.За формулою К = Iпр /Iзв обчислити коефіцієнт випрямлення діода. При цьому треба мати на увазі, що прямий і зворотний струми повинні бути виміряні за однакових значень прямої і зворотної напруги.

Контрольні запитання

1. За якими ознаками поділяються речовини на провідники, напівпровідники й ізолятори?

2.Які напівпровідники називають напівпровідником n-типу і р-типу та як їх отримують?

3. Пояснити провідність n-та р- напівпровідників.