Московский государственный университет

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ОПТИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 49

по дисциплине

«Физика»

МОСКВА  2010

Работа 49

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ФОТОДИОДА

Цель работы: изучение основных закономерностей, определяющих свойства и параметры фотодиодов, исследование их вольт–амперных и световых характеристик.

Введение

Носители тока в полупроводниках, имеющие большую (меньшую) концентрацию, называются основными (не основными). В соответствии с типом основных носителей полупроводники называют дырочными (p-типа) или электронными (n-типа).

Плоскостной p-n–переход получают введением с одной стороны в кристалл полупроводника n-типа акцепторных примесей с концентрацией, значительно превышающей концентрацию донорных примесей в данном полупроводнике. Тогда, вследствие различной концентрации дырок и электронов по обе стороны p-n–перехода, дырки диффундируют в n-область, а электроны – в p-область перехода. В результате оттока носителей, по обе стороны р-n–перехода образуется пространственный заряд ионов соответствующей примеси, который создает электрическое поле с контактной разностью потенциалов _к. Контактное электрическое поле вызовет дрейфовый ток неосновных носителей (электронов из p-области в n-область, а дырок из n-области в p-область), который в отсутствии внешнего напряжения на p-n–переходе будет уравновешивать диффузионный ток основных носителей так, что суммарный ток через p-n–переход будет равен нулю. Условие равновесия p-n–перехода заключается в требовании постоянства уровня Ферми (уровня энергии, которому соответствует значение функции распределения f  ½) вдоль всего перехода (рис. 1).

При приложении прямого напряжения к p-n–переходу, когда внешнее поле противоположно внутреннему полю перехода (рис. 2.а) величина потенциального барьера для основных носителей уменьшится, и они могут проникнуть в область кристалла с противоположным типом проводимости (инжекция неосновных носителей, например, электронов вp-область перехода).

Расстояние, на котором концентрация инжектированных носителей падает вследствие рекомбинации с основными в e раз, называется диффузионной длиной и обозначается L_p и L_n для дырок и электронов соответственно.

Обратное напряжение (рис. 2.б) увеличит потенциальный барьер для основных носителей. Увеличение обратного напряжения приведет к насыщению тока, созданного неосновными носителями.

Полный ток через p-n–переход равен сумме дырочного I_p и электронного I_n токов

I  I_n  I_p  I_s(e  1), (1)

здесь q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; U – напряжение на p-n–переходе (берется со знаком «» для прямого и со знаком «» для обратного напряжения); I_s – ток насыщения.

Ток насыщения диода (он же темновой ток фотодиода) переносится термически созданными парами электрон-дырка, образовавшимися на расстоянии от p-n–перехода, не превышающем диффузионную длину (предполагается, что L_p и L_n велики по сравнению с шириной p-n–перехода).