Теоретичні відомості

Широкого практичного застосування набули явища, які виникають при контакті двох напівпровідників з різними типами домішкової провідності. Такий контакт називається електронно-дірковим переходом (або р-n – переходом). Для отримання р-n –переходів у пластинку з чистого напівпровідника вводять дві домішки – донорну і акцепторну. Перша надає напівпровіднику електронної провідності, а друга – діркової. На практиці, у пластинку германію або кремнію донорними домішками беруть елементи п’ятої групи періодичної системи (фосфор, миш’як та ін.), а акцепторними – третьої групи (бор, індій та ін.). Тоді в одній половині пластинки виникає електронна, в іншій – діркова провідність, а між обома областями виникає тонкий перехідний шар, який являє собою р-n – перехід.

У р- області основними носіями струму є дірки, а в n- області –електрони, неосновними – відповідно електрони і дірки. Внаслідок теплового руху електрони з n- області переходять у р - область і там рекомбінують з дірками, а дірки з р- області переходять у n- область і там рекомбінують з електронами. При цьому в n- області біля межі поділу з’явиться позитивний об’ємний заряд, а в р- області – негативний. Тоді n- область матиме позитивний потенціал, а р- область – негативний. Отже, на межі поділу областей утвориться подвійний запірний шар нескомпенсованих зарядів, електричне поле якого напрямлене від напівпровідника n- типу до р- типу. Він є для носіїв струму потенціальним бар’єром.

Опір р-n– переходу залежить від величини і напрямку напруженості зовнішнього електричного поля. Якщо до p-n– переходу прикласти зовнішнє електричне поле, яке напрямлене від р- до n- області, то воно зменшує товщину запірного шару, основні носії стануть проникати через нього, струм основних носіїв зростає, а опір перехідного шару зменшується. Цей напрям називається прямим. Якщо зовнішнє електричне поле напрямлене від n- до р- області, то висота потенціального бар’єру збільшиться для електронів і дірок. Внаслідок цього збільшується товщина запірного шару, зростає його опір і струм основних носіїв зменшується. Цей напрям називається зворотним (або запірним).

Відмінність опорів у прямому і зворотному напрямках дає змогу використовувати р-n – перехід для випрямлення струмів у колах змінного струму.

Властивість односторонньої провідності p-n – переходу покладена в основу напівпровідникових діодів та тріодів. Прямий та зворотний напрям увімкнення діода зображено на рис. 16.1.

Прямий напрям Зворотний напрям

Рис. 16.1

Залежність сили струму I від прикладеної напруги U називається вольт–амперною характеристикою (ВАХ) напівпровідникового діоду. Вона має дві вітки – пряму і зворотну. Ця залежність нелінійна.

Порядок виконання роботи

1. Увімкнути лабораторний стенд в мережу 220 В. Дослідження проводити для 1-го діода.

2. Для дослідження прямого струму повзунок потенціометра поставити в положення, яке відповідає мінімальному значенню напруги на джерелі струму. Поставити перемикач в положення ''П'', яке відповідає прямому струму.

3. Поступово (через 0,1 В) збільшуючи напругу від нуля до 1 В, записувати в таблицю 16.1 значення напруги U_пр за показами вольтметра і відповідні їй значення прямого струму I_пр за показами амперметра.

4. Для дослідження зворотного струму повзунок потенціометра поставити в початкове положення, перемикач в положення ''З'', яке відповідає зворотному струму.

5. Поступово (через 0,1 В) збільшуючи напругу від нуля до 1 В, записувати в таблицю 16.1 значення напруги U_зв за показами вольтметра і відповідні їй значення зворотного струму I_зв за показами мікроамперметра.

6. Повторити п.п. 2 - 6 для 2-го діода.

Таблиця 16.1

1-й діод				2-й діод
Пряма вітка		Зворотна вітка		Пряма вітка		Зворотна вітка
Iпр, А	Uпр, В	Iзв, 10мкA	Uзв, В	Iпр, А	Uпр, B	Iзв,10мкA	Uзв, B

7. П обудувати на одному графіку вольт-амперні характеристики (ВАХ) для 1-го і 2-го діодів (пряму і зворотну вітки).

8. Виконати аналіз побудованих ВАХ і зробити висновки.

Питання для самоконтролю

1. Які напівпровідники називають власними, n- типу, p- типу?

2. Що таке основні та неосновні носії струму в напівпровідниках?

3. Поясніть, що таке p-n - перехід і як його отримати?

4. Нарисуйте вольт-амперну характеристику напівпровідникового діоду.

5. Як змінюється ширина запірного шару зі зміною полярності прикладеної напруги?

Лабораторна робота № 17

ВИВЧЕННЯ ФОТОПРОВІДНОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Мета роботи: одержати спектральну характеристику фотопровідності (СХФ) напівпровідника та визначити довжину хвилі максимальної фоточутливості.

Прилади і обладнання: монохроматор УМ-2, лампа розжарювання, фоторезистор, джерело постійного струму ИПД-1, мікроамперметр постійного струму.

Короткі теоретичні відомості

Фотопровідністю називається явище збільшення електропровідності напівпровідників під дією електромагнітного випромінювання. Воно пов’язане з властивостями як основної речовини напівпровідника, так і домішок, що містяться в ньому.

Фотопровідність власного провідника виникає у випадку, коли hν>∆Е, де hν – енергія падаючого кванта, ∆Е – ширина забороненої зони напівпровідника. Тобто електрони валентної зони, які поглинають такі кванти, одержують можливість переходу у зону провідності, в результаті чого електропровідність напівпровідника підвищується.

Для кожного напівпровідника існує межа фотопровідності ν₀, яку можна знайти із умови hν_о = ∆Е. Якщо ν< ν₀, фотопровідність не виникає. При збільшені частоти ν>ν₀ збільшується коефіцієнт поглинання і фотопровідність зменшується.

Якщо напівпровідник має домішки, то фотопровідність може виникати і при hν<∆Е: у напівпровідниках з донорною домішкою фотон повинен мати енергію hν>>∆Е_д, а з акцепторною домішкою hν>>∆Е_а. При поглинанні світла домішковими центрами відбувається перехід електронів з донорного рівня у зону провідності у випадку напівпровідника n – типу або з валентної зони на акцепторні рівні у випадку напівпровідника p – типу. В результаті виникає домішкова фотопровідність.

Спектральною характеристикою фотопровідності (СХФ) називається залежність фотоструму І_Ф або фотопровідності від довжини хвилі l електромагнітного випромінювання при сталому світловому потоці. СХФ напівпровідника має максимум.