Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет нефти и газа

им. И.М. Губкина

Кафедра физики http://physics.gubkin.ru

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ № 322, 324, 325 ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Москва

1

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ № 322, 324, 325. Механизм собственной и примесной проводимости полупроводников с точки зрения зонной теории. Полупроводники - это вещества, имеющие при комнатной температуре

удельную электрическую проводимость в интервале от 10-8 до 106 Ом-1 м-1, которая в сильной степени зависит от вида и количества примеси и структуры вещества, а также от внешних условий: температуры, освещения, внешних электрических и магнитных полей, облучения. Электропроводность твердых тел в современной физике объясняется на основе зонной теории. На рис. I показаны упрощенные диаграммы энергетических зон собственного, акцепторного и донорного полупроводников.

Нижняя зона представляет собой валентную зону, которая у полупроводников так же, как и у диэлектриков, при температуре, равной абсолютному нулю, полностью заполнена электронами. Валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим интервалом, так называемой запрещенной зоной, величина которой (ΔЕ) для полупроводников имеет значения до 2-3 эВ, для диэлектриков более 2-3 эВ (Металлы имеют или частично заполненную валентную зону, или полностью заполненную валентную зону, перекрывающуюся с зоной проводимости.)

Существование запрещенной зоны энергий можно объяснить, исходя из особенностей химической связи в полупроводниках. При ненарушенных связях в кристалле (нет химических примесей и структурных дефектов) все валентные электроны каждого атома (два S - электрона и два Р -электрона) участвуют в образовании ковалентных связей. В таком состоянии (температура абсолютного нуля и отсутствие внешних ионизирующих воздействий) кристалл является изолятором. Для создания подвижных электронов необходим разрыв некоторого количества связей. Это происходит при повышении температуры и под действием ионизирующих излучений. При разрыве каждой связи возникает один электрон проводимости и одно вакантное квантовое состояние электрона.

2

Рис. I. Энергетические зоны проводников: а – собственного; б – акцепторного; в – донорного. Наименьшее приращение энергии электрона при его переходе из связанного состояния в состояние проводимости (работа разрыва связи) есть ширина запрещенной зоны Δ Е.

При абсолютном нуле полупроводник не имеет свободных электронов в зоне проводимости и является изолятором. Однако с повышением температуры электроны получают тепловую энергию, которая для части электронов оказывается достаточной для преодоления запрещенной зоны и перехода их в зону проводимости. В результате полупроводник теряет свойства идеального изолятора, так как электрическое поле имеет возможность изменять состояние электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне, электроны этой зоны также могут изменять свою скорость под действием внешнего поля. Поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название "дырок".

Таким образом, полупроводники обладают двумя видами электропроводности: электронной, обусловленной движением свободных электронов в зоне проводимости, и дырочной, обусловленной движением дырок в валентной зоне.

Проводимость чистых полупроводников создается как электронами, так и дырками и называется собственной проводимостью. Уровень Ферми в собственных полупроводниках находится посередине запрещенной зоны. Типичными представителями полупроводников являются химически чистые элементы IV группы таблицы Менделеева. В кристаллической решетке этих элементов (например, германия) каждый атом образует четыре парно-электронные (ковалентные) связи с соседними атомами.

Введение в полупроводники незначительного количества примесей ( ≈ 10-4 %) приводит к значительному увеличению электропроводности полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводников. При замещении атома германия атомом, имеющим три валентных

электрона (In , B), одна валентная связь германия оказывается не заполненной электроном. Электрон одной из соседних заполненных связей может перейти в незаполненную связь. Причем этот переход требует гораздо меньшей энергии (ΔEa) по сравнению с энергией ΔЕ отрыва электрона от атома в идеальной решетке германия. По зонной теории введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению свободных уровней Еа вблизи потолка валентной зоны (рис I б).

Уровни, способные захватывать валентные электроны, называются акцепторными. Часть валентных электронов покидает валентную зону и занимает эти уровни, оставляя после себя в валентной зоне дырки, которые являются основными носителями тока в подобного рода полупроводниках. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Уровень Ферми в акцепторных полупроводниках располагается вблизи примесных уровней.

Если в кристалл германия ввести пятивалентный атом примеси (например, мышьяк), то пятый электрон мышьяка окажется слабо связанным с

3

атомом. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель тока, требуется значительно меньшее количество энергии ΔEд, чем энергия ΔЕ высвобождения электрона из валентной связи. Согласно зонной теории (рис. I В), добавление пятивалентной примеси в чистый полупроводник IV группы приводит к возникновению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости дополнительных уровней энергии ЕД, с которых электроны могут переходить в зону проводимости.

Уровни, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными, а полупроводник с такого рода примесью называется полупроводником n-типа (электронного типа проводимости). Уровень Ферми в донорных полупроводниках находится вблизи примесных уровней.

Зависимость проводимости полупроводника от температуры При нагревании проводимость полупроводников резко возрастает.

Температурная зависимость проводимости σ собственного полупроводника определяется изменением концентрации n и подвижности электронов μ - и дырок μ + от температуры: σ = e ( n - μ - + n + μ + ) ( 1 )

Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры сравнительно слабо и с ее возрастанием уменьшается по закону μ ∼ T –3/2. Это объясняется тем, что с повышением температуры возрастает число столкновений в единицу времени, вследствие чего уменьшается скорость направленного движения носителей заряда в поле единичной напряженности.

Рассмотрим донорный полупроводник. Вследствие малой концентрации электронов проводимости полупроводники подчиняются классической статистике Максвелла-Больцмана. Поэтому в области низких температур для концентрации электронов в зоне проводимости с одним видом примеси имеем: n = A T 3/2 e - ΔW / kT, ( 2)

где А - коэффициент, не зависящий от Т; ΔW - энергия активации примеси, то есть энергетический интервал между донорным уровнем и нижним краем зоны проводимости ( рис. Iв) К - постоянная Больцмана.

Так как подвижность μ и множитель Т3/2 в формуле (2) с температурой меняются медленно по сравнению с экспоненциальным членом и в противоположные стороны, то в рассматриваемой области низких температур удельная проводимость примесного полупроводника изменяется по экспоненциальному закону: σ = B e - ΔW / kT, (3) где В - величина, практически постоянная в данной области температур.

Прологарифмировав уравнение (3), получим: lnσ = lnB – (ΔW/k)(1/T). (4) Откладывая по оси абсцисс I / Т, а по оси ординат lnσ, получим в области относительно низких температур (область I на рис.2) прямую, угловой коэффициент которой ΔW/ k = tg α определяется энергией активации примеси ΔW.

При достаточно высокой температуре практически все носители тока перейдут с донорных уровней в зону проводимости, и концентрация свободных электронов будет оставаться постоянной. Область II (рис.2) называется областью "истощения примеси". В данном интервале температур проводимость будет несколько падать из-за уменьшения подвижности носителей тока.

4

В области собственной проводимости, когда начнутся переходы электронов из валентной зовы в зону проводимости: n + = n -= A T 3/2 e - Δ E/ 2 k T; (5) и при графическом построении в полулогарифмических координатах получается прямая (область III на рис. 2), наклон которой определяется шириной запрещенной зоны. ΔE / 2k = tg β (6)

Рис. 2. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводника с одним видом примеси

Свойства электронно-дырочного перехода в полупроводниках Рассмотрим контакт двух примесных полупроводников с различным

типом примеси - донорной ( n - типа) и акцепторной ( р - типа). Тонкий слой на границе между двумя областями кристалла с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом, или p-n- переходом.

Электроны являются основными носителями заряда в области n - типа и неосновными - в области р - типа. Дырки же - основные носители заряда в области p -типа и неосновные в области n - типа. Концентрация основных носителей заряда в германии и кремнии составляет, примерно, I022 м -3, а неосновных - I016 м -3.

Такое различие в концентрациях носителей одного типа по обе стороны контакта ведет к возникновению диффузионных потоков дырок (из области p -типа в область n – типа) и электронов - в обратном направлении. В результате n-полупроводник вблизи контакта заряжается положительно, p-полупроводник -отрицательно, и между ними возникает разность потенциалов (рис. З).

Контактное поле противодействует диффузии основных носителей тока (электронов из n - области и дырок из p - области), и в результате наступает динамическое равновесие, когда ток, обусловленный основными носителями тока (j осн ), уравновешивается встречным током неосновных носителей (jнеосн), для которых контактное поле является ускоряющим (рис.3).

5

Рис. 3. Появление контактного поля Ек вблизи p- n- перехода Наличие избыточного положительного заряда в n- области и

отрицательного заряда в p- области приводит к тому, что все энергетические уровни (в том числе и уровень Ферми) n- области понижаются, a p- области повышаются. Диффузионный поток прекращается, когда уровни Ферми выравниваются, и в результате между двумя областями устанавливается равновесная контактная разность потенциалов Uk.

На рис. 4 показана схема энергетических уровней в р – и n - полупроводниках непосредственно в момент их соприкосновения, то есть до начала диффузионного перехода носителей зарядов. На рис. 5 приведена схема энергетических уровней после установления равновесия.

Высота потенциального барьера eUk в месте контакта в момент равновесия определяется разностью значений энергий Ферми в р- и n- полупроводниках. Когда внешнее поле отсутствует, результирующий поток зарядов через область контакта, обусловленный как основными, так и неосновными носителями, равен нулю, и ток через p-n- переход не протекает.

Рис. 4. Схема расположения энергетических уровней в

момент соприкосновения полупроводников до установления равновесия.

Рис. 5. Расположение энергетических уровней в области p– n – перехода после установления равновесной контактной разности потенциалов.

Предположим теперь, что к p-n- переходу приложено внешнее поле. В

зависимости от знака внешней разности потенциалов высота потенциального барьера будет либо уменьшаться (рис. 6), либо увеличиваться (рис. 7) по сравнению с равновесным, и через p-n- переход будет протекать электрический ток.

6

Вольтамперная характеристика p-n- перехода. Зависимость тока от напряжения (вольтамперная характеристика p-n-

перехода) описывается формулой (7). Ток через переход определяется как основными, так и неосновными носителями: j = jосн – jнеосн = c e-∆E / 2kT (e± eU / kT - 1), (7) где С - постоянная, не зависящая от температуры и приложенного напряжения; ΔЕ - ширина запрещенной зоны; U - приложенное напряжение.

Знак “+” в показателе степени соответствует напряжению, приложенному в "прямом" направлении, то есть, когда положительный полюс внешнего источника подключен к р- области, а знак “-” соответствует напряжению, приложенному в "обратном" направлении.

Как видно из рис. 6, прямое смещение уменьшает высоту потенциального барьера, облегчая движение основных носителей через переход. Обратная разность потенциалов (рис. 7) увеличивает высоту потенциального барьера и препятствует движению основных носителей через переход. Движение неосновных носителей не зависит от приложенного напряжения.

Рис.6. Энергетические уровни в области p-n- перехода при «прямом» внешнем напряжении.

Рис.7. Энергетические уровни в области p-n- перехода

при «обратном» внешнем напряжении.

Обозначим компоненту тока, обусловленную неосновными носителями, js . Тогда формула (7) примет вид: j = j s (e± eU / kT - 1), (8)

7

Проанализируем формулу (7). Так как при комнатной температуре kT/e составляет около 0,025 В, то при положительных напряжениях порядка нескольких десятых вольта в формуле (7) можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным членом.

Тогда имеем j = c e-∆E / 2kT e eU / kT = j s e eU / kT, (9) Таким образом, ток через p-n- переход, смещенный в прямом

направлении, возрастает экспоненциально с ростом напряжения. Этот ток обусловлен основными носителями зарядов.

При отрицательных напряжениях (обратное смещение) порядка нескольких десятых вольта можно пренебречь экспоненциальным членом по сравнению с единицей, и формула (7) примет вид: j = -j s = - c e-∆E / 2kT , (10)

В этом случае величина обратного тока j s полностью определяется движением неосновных носителей зарядов через р-n- переход, так как увеличение потенциального барьера (рис. 7) практически делает невозможным движение через р-n- переход основных носителей зарядов.

На рис. 8 приведен график вольтамперной характеристики р-n- перехода, построенный в соответствии с формулой (7). При построении графика масштабы его выбираются различными для "прямого" и "обратного" токов, так как величина "прямого" тока значительно выше величины "обратного".

Таким образом, если к полупроводнику, содержащему р-n- переход, приложить внешнее поле так, что n- область будет соединена с положительным полюсом источника тока, а р- область - с отрицательным, тo полупроводник практически не будет проводить электрический ток. При пропускном (прямом) направлении внешнего поля, когда n- область соединена с отрицательным полюсом источника тока, а р- область - с положительным, через р-n- переход будет проходить электрический ток, величина которого экспоненциально возрастает с ростом напряжения.

Рис. 8. Вольтамперная характеристика р-n- перехода.

Фотопроводимость полупроводников. Фотосопротивления. Важной особенностью полупроводников является способность

увеличивать электропроводность под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта, или фотопроводимости. Полупроводник, меняющий свою проводимость при освещении его светом, называется фотосопротивлением. Уменьшение сопротивления полупроводника, обусловленное поглощением света, объясняется увеличением числа свободных носителей заряда.

8

Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны ΔЕ, поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей зарядов - электрон и дырка, что приводит к увеличению электропроводности вещества.

Если в веществе есть примеси, то под действием света с энергией кванта hν ≥ ΔЕ, где ΔЕ - энергия активации примеси, электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зоны проводимости. В первом случае возникает дырочная проводимость, во втором - электронная.

Носители тока, возникшие в результате освещения, называются неравновесными, или избыточными. Фототоком I ф фотосопротивления при данном напряжении называется разность тока при освещении полупроводника I св и темнового тока Iт :

I ф = I св - Iт (11) На внутреннем фотоэффекте основана работа фотосопротивлений,

непосредственно преобразующих световую энергию в энергию электрическую. В случае малых световых потоков Ф, когда кванты света идут на

образование избыточных носителей, количество образующихся носителей, а, следовательно, и величина фототока пропорциональны падающему световому потоку (I ф ∼ Ф). При больших световых потоках наступает насыщение и линейная зависимость фототока от светового потока нарушается (I ф ∼ Ф1/2).

Световой характеристикой фотосопротивления называется зависимость фототока от светового потока при данном напряжении. Эта зависимость, показана на рис.9.

Рис. 9. Световые характеристики фотосопротивления

Вольтамперная характеристика фотосопротивления имеет линейный характер (рис. 10) и выражает зависимость фототока от приложенного напряжения.

9

Рис. 10. Вольтамперная характеристика фотосопротивления.

Важной характеристикой фотосопротивления является удельная чувствительность, то есть отношение фототока I ф к световому потоку Ф и к величине приложенного напряжения U: γуд = I ф / (ФU) (12) Из фотометрии известно, что Ф = ES, (13) где E - освещенность поверхности; S -площадь светочувствительного слоя фотосопротивления.

Если источник света точечный и лучи падают перпендикулярно поверхности, то освещенность будет связана с силой света I и расстоянием r до источника следующей зависимостью: E = I / r2 (14) Из формул (12-14) получаем следующее выражение для чувствительности: γуд = I ф (r2) / ( I S U ) (15)

Литература 1. Савельев И. В. Курс общей физики, T.5.-М.: Физматлит, 1998. 2. Киреев П.С. Физика полупроводников. –М.: Высшая школа, 1975.

Лабораторная работа № 322

Исследование зависимости сопротивления примесного полупроводника от температуры и определение энергии

активации электронов.

Цель и содержание работы Целью работы является изучение зависимости сопротивления

примесного полупроводника от температуры. Содержание работы состоит в определении энергии активации

электронов и температурного коэффициента сопротивления для термисторов типа ММТ-1 и КМТ-4.

В работе исследуются термисторы - нелинейные полупроводниковые сопротивления с электронной проводимостью. Сопротивление термистора R сильно зависит от температуры. Наибольшее распространение имеют термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α, который показывает относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 градус:

α = (1/R)(dR/dT) (16) Сопротивление термистора в области рабочих температур может быть

представлено в виде R =С e ΔW / kT , (17)

где С - величина, постоянная в рабочем интервале температур. Прологарифмировав выражение (17), получим

lnR = lnc + ΔW/kt (18)

10

Построив график зависимости lnR = f (1/T), можно по тангенсу угла наклона прямой определить энергию активации электронов: tgβ = ΔlnR / Δ(1/T) = ΔW/k (19)

Подставив в выражение (23) значение постоянной Больцмана к= 0,86 10-4 эВ/град, найдем энергию активации: ΔW = (ΔlnR / Δ(1/T))*k (20)

Продифференцировав выражение (17) и, использовав определение температурного коэффициента α (20), получим: α = - ΔW / kT2 (21)

Термисторы изготавливаются из твердых полукристаллических полупроводниковых материалов: смесей двуокиси титана с окисью магния, окислов марганца, меди, кобальта и никеля и т.д.

Основными параметрами термисторов являются: 1) сопротивление образца при Т = 20°С; 2) величина температурного коэффициента сопротивления α, 3) энергия активации электронов ΔW, определяющая его температурную

чувствительность; 4) максимально допустимая температура, выше которой характеристики

термисторов становятся нестабильными. Термисторы широко применяются для измерения температуры, а также

для компенсации температурных изменений параметров электрических цепей.

Приборы и принадлежности, необходимые для выполнения работы. 1. Исследуемый термистор типа ММТ-1 или КМТ-4 (R на рис.13),

помещенный в нагреватель. 2. Нагреватель I на рис.13, служащий для изменения температуры от 20

до 100°С. 3. Измеритель сопротивления 2 с цифровой индикацией. 4. Измеритель температуры 3 - цифровой прибор с датчиком,

помещенным внутри нагревателя.

Порядок выполнения работы. 1. Включить в сеть приборы для измерения сопротивления и

температуры, а также нагреватель. 2. При достижении температуры 65°С выключить нагреватель. 3. При остывании термистора произвести не менее 30 измерений

значений температуры и, соответственно, сопротивления термистора через каждый градус изменения температуры. Полученные данные занести в таблицу.

4. По окончании измерений отключить приборы и нагреватель от сети.

11

Рис. 11. Монтажная схема установки.

Таблица. № п/п R, кОм Т, °С 1/Т, К-1 lnR α, К-1

Обработка результатов измерений 1. Заполнить таблицу, подсчитав температуру в кельвинах, обратную

температуру, логарифмы сопротивления. 2. По полученным результатам построить график lnR = f(1/T). 3. Пользуясь формулами (19), (20), по тангенсу угла наклона

построенной прямой к оси X определить энергию активации электронов ΔW в электронвольтах.

4. По формуле (21) для нескольких (6-8) произвольно взятых значений температур вычислить температурный коэффициент сопротивления α. Построить график α = f(т).

Контрольные вопросы 1. Расскажите о свойствах полупроводников, отличающих их от

металлов и диэлектриков. Какие типы полупроводников Вам известны? 2. С помощью зонных схем поясните механизм проводимости

собственных и примесных полупроводников. 3. От каких величин зависит удельная проводимость вещества? 4. Нарисуйте график зависимости удельной проводимости

полупроводника с одним типом примеси от температуры в полулогарифмическом масштабе и объясните характер этой кривой.

5. Объясните зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры.

6. Какую величину называют энергией активации электронов? Как определяется энергия активации в данной работе?

7. Что называется температурным коэффициентом сопротивления? Получите формулу, по которой определяется температурный коэффициент в данной работе.

8. Что представляют собой термисторы? Какими величинами их характеризуют? Где находят применение термисторы?

12

Лабораторная работа № 324 Исследование фотопроводимости в полупроводниках

Цель и содержание работы

Целью работы является изучение явления внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Содержание работы состоит в получении вольтамперной и световой характеристик фотосопротивления и определении его удельной чувствительности.

Световая характеристика фотосопротивления - зависимость фототока Iφ от величины светового потока Ф.

В данной работе величина фототока при данном напряжении определяется как разность значений силы «светового» тока Iсв, протекающего через полупроводник при включенном источнике света (Ф≠0), и «темнового» тока Iт, протекающего через полупроводник в отсутствие освещения (Ф=0).

Вольтамперная характеристика - зависимость фототока от напряжения при данном световом потоке. Величина фототока также определяется по формуле (II).

Световой поток Ф определяется по формулам (13), (14), исходя из измерений r (расстояния от полупроводника до источника света) и заданных значений силы света I и площади светочувствительного слоя S.

Простота конструкции, высокая надежность, малые размеры и вес, высокая чувствительность, широкий диапазон спектральной чувствительности обеспечили широкое применение фотосопротивлений в автоматике, фотометрии, оптической спектроскопии, а также для регистрации слабых потоков в инфракрасном диапазоне.

Существенным недостатком фотосопротивлений является значительная инерционность, которая ограничивает возможность их применения в случаях, связанных с быстропеременными процессами. Другой серьезный недостаток фотосопротивлений - сильная зависимость сопротивления от температуры окружающей среды, что затрудняет их использование в условиях переменной температуры.

Приборы и принадлежности, необходимые для выполнения работы В работе используется сернисто-кадмиевое (CdS) фотосопротивление ФСК-1. Оно представляет собой (рис.16) изолирующую пластинку I, на которую испарением в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2.

Рис. 12. Схематическое устройство фотосопротивления ФСК-1

На краевые его области также испарением в вакууме нанесены

металлические электроды 3, обеспечивающие надежный электрический

13

контакт. Пластинка с нанесенным на нее полупроводниковым слоем помещена в пластмассовую оправу с окошком. Металлические электроды на краевых областях полупроводникового слоя соединяются с двумя выводными клеммами, с помощью которых фотосопротивление включается в электрическую цепь.

Фотосопротивление освещается лампой с нитью накала в виде короткой спирали небольших размеров. Такой источник света с достаточной степенью точности можно считать точечным. Лампа питается от сети через понижающий трансформатор.

Общий вид установки показан на рис. 13. Фотосопротивление помещено в светонепроницаемый кожух 1 с отверстием, через которое свет поступает на фотосопротивление.

Фотосопротивление I и осветитель 2 с лампой установлены на оптической скамье 3. К скамье прикреплена миллиметровая линейка для отсчета расстояния от фотосопротивления до лампы.

Напряжение, подаваемое на фотосопротивление, устанавливается при помощи ступенчатого переключателя 4 и измеряется при помощи вольтметра 5.

Рис. 13. Схема установки.

Для измерения тока используется микроамперметр 6. Вольтметр,

амперметр, источник питания смонтированы в приборе 7.

Порядок выполнения работы Получение световой характеристики фотосопротивления

1. Включить лампу и источник питания тумблерами, расположенными на передней панели прибора 7.

2. Вращая ручку переключателя напряжений, подать на фотосопротивление напряжение порядка 72 В (максимально возможное).

3. Придвинуть фотосопротивление вплотную к лампе. В этом случае расстояние между лампой и фотосопротивлением будет равно а + в, где а и в - соответственно расстояния от края подставки до нити лампы и от края подставки до плоскости фоточувствительного слоя (а и в указаны на приборах).

4. Произвести отсчет "светового" тока для данного расстояния по шкале микроамперметра. Затем, выключив лампу, измерить «темновой» ток.

5. Отодвигая фотосопротивление на 5 см, проделать аналогичные измерения "светового" и «темнового» токов для 7 различных расстояний.

6. Повторить измерения токов, описанные в п.п.4, 5, для другого значения напряжения (порядка 50 В). Данные измерений расстояний, токов и напряжений занести в табл.1.

14

Таблица 1 № п/п Напря-

жение на фотосоп- ротивле нии U, B

Расстояние до лампы r, мм

Ток при освещении

Iсв, мкА

Темно-вой ток Iт, мкА

Фото-ток

Iф, мкА

Свето-вой поток Ф, лм

Удель-ная

чувствитель-ность γ,

мА/лмВ

Получение вольтамперной характеристики фотосопротивления. 1. Подать на фотосопротивление при помощи ступенчатого

переключателя напряжение, максимальное из возможных (порядка 72 В). Установить фотосопротивление на таком расстоянии, чтобы световой ток равнялся 15 мА. Измерить расстояние до лампы. Значения расстояния занести в табл. 2.

2. Уменьшая напряжение на фотосопротивлении, примерно, на 7 В, произвести отсчет светового и темнового токов для данного расстояния при различных значениях напряжения. Данные измерений напряжения и токов для данного расстояния записать в табл.2.

3. Увеличить расстояние между лампой и фотосопротивлением на 5 см и повторить измерения п. 2. Данные записать в табл.2.

Таблица 2

№ п/п Расстоя ние до лампы r, мм

Напря-жение на фотосоп- ротивле нии U, B

Ток при освеще нии

Iсв, мкА

Темно-вой ток Iт, мкА

Фототок Iф, мкА

Свето-вой поток Ф, лм

Обработка результатов измерений

1. Вычислите по формуле (II) значения фототока для различных напряжений и расстояний фотосопротивления до лампы. Данные занести в табл. I и 2.

2. Вычислить по формулам (13) и (14) значения светового потока, падающего на фотосопротивление при различных расстояниях от источника света. Данные занести в табл. I и 2.

3. Построить графики зависимости фототока от светового потока для различных значений напряжения на фотосопротивлении, используя данные табл.1.

4. Построить вольтамперные характеристики фотосопротивления при различных значениях светового потока, используя данные табл.2.

5. Вычислить по формуле (15) удельную чувствительность фотосопротивления. Данные занести в табл.1.

15

Контрольные вопросы 1. Расскажите о явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. 2. Как образуются избыточные носители тока в полупроводниках под

действием квантов света? 3. Что такое "темновая" электропроводность полупроводника? 4. Объясните возможные типы переходов электронов при поглощении

квантов света. 5. Объясните характер зависимости фототока от светового потока,

падающего на фотосопротивление (световая характеристика). 6. Расскажите о методе исследования вольтамперных и световых

характеристик фотосопротивлений в данной работе. 7. Выведите формулу для удельной чувствительности. 8. Перечислите основные достоинства и недостатки фотосопротивлений. 9. Объясните механизм собственной и примесной проводимости в

полупроводниках с точки зрения зонной теории.

Лабораторная работа № 325

Исследование вольтамперной характеристики полупроводникового диода

Цель и содержание работы

Целью работы является изучение свойств полупроводникового диода. Содержание работы состоит в получении вольтамперной характеристики

полупроводникового диода, определении коэффициента выпрямления и внутреннего сопротивления диода.

Действие p-n- перехода, обладающей односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы-диода. Поэтому полупроводник с одним p-n- переходом называется полупроводниковым диодом.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода аналогична вольтамперной характеристики p-n- перехода и представлена на рис. 14. Масштаб кривой различен для прямого и обратного токов: прямой ток измеряется в миллиамперах, а обратный - в микроамперах.

Рис.14. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

16

В реальных диодах последовательно с p-n- переходом оказывается включенным сопротивление толщи полупроводника и омических контактов Rs, то есть

rд = Rs + r, (22) где,rд - полное сопротивление диода; Rs - внутреннее сопротивление диода, которое существенно при больших токах; r - дифференциальное сопротивление перехода.

Дифференцируя уравнение (8), получим 1/r = dI/dU = αI, (23)

где α = e/kT, I –ток через переход (в уравнении (8) обозначен js). Как следует из (22),

rд = Rs + 1/(αI) (24)

При больших прямых токах с учетом того, что при комнатных температурах α≈40 В-1, в реальных диодах полное сопротивление диода rд приблизительно равно внутреннему сопротивлению Rs, которое определяется сопротивлением толщи полупроводника и омических контактов.

Внутреннее сопротивление диода можно определить по котангенсу угла наклона касательной, проведенной в линейной части экспериментальной вольт-амперной характеристики, соответствующей большим величинам прямого тока: Rs = dU/dI = ctgβ (25)

Детектирующие свойства кристаллических диодов характеризуются коэффициентом выпрямления:

η = Iпр / Iобр, (26) где Iпр и Iобр - прямой и обратной токи при одном и том же абсолютном значении напряжения.

Рис. 15. Устройство точечного диода:

1 – металлический фланец, 2 – пластина германия, 3 – кристаллодержатель,

4 – выводы, 5 – вольфрамовая проволока, 6 – керамический корпус

Полупроводниковые диоды, изготовляемые обычно из германия или

кремния, могут быть точечными (рис.15) (в них точечный контакт осуществляется между пластиной германия или кремния и вольфрамовой пружиной) и плоскостными (где соприкасаются плоскости двух полупроводников с различной проводимостью).

Полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ перед электровакуумными приборами: высокая надежность, малые габариты, экономичность (отсутствие накала), низкие рабочие напряжения, лучшая виброустойчивость (механическая прочность).

17

К недостаткам полупроводниковых приборов относится зависимость их параметров от температуры.

Приборы и принадлежности, необходимые для выполнения работы 6. Кристаллический диод (германиевый). Диод, используемый в данной

работе, является точечным (рис.15).Переход в данном случае образуется у контакта вольфрамовой проволоки с пластиной германия.

2. Миллиамперметр. 3. Микроамперметр. 4. Потенциометр. 5. Вольтметр. 6. Переключатель.

Порядок выполнения работы

Схема установки показана на рис. 16.

Рис. 16. Схема измерения вольтамперной характеристики кристаллического диода

1. Снять вольтамперную характеристику диода при прямом включении (переключатель П в положении 1-1)

Для этого, изменяя напряжение от 0,1 В до1 В через 0,1 В, измеряют ток. При этом используют миллиамперметр.

2. Снять вольтамперную характеристику диода при обратном включении. Для этого переключатель П ставят в положение 2-2. Изменяя напряжение в пределах от 0,1 до 5 В через 0,5 B, измеряют ток.

3. Результаты измерений заносят в таблицу.

Таблица № п/п Прямое

Напряжение Uпр, В

Прямой ток

Iпр, мA

Обратное Напряжение

Uобр, В

Обратный ток

Iобр, мА

Обработка результатов измерений

1. На миллиметровой бумаге построить вольтамперную характеристику диода. Обратить внимание, что прямой ток надо указать в мА, а обратный в мкА. Масштаб отличается при этом в 103 раз.

18

2. Определить коэффициент выпрямления η по формуле (22) при напряжениях +1 В и –1 В, учитывая масштаб чертежа.

3. Определить внутреннее сопротивление диода Rs по формуле (20) при напряжении 1 В, учитывая масштаб чертежа.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о делении твердых тел на проводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

2. Расскажите о механизме собственной и примесной проводимости полупроводников с точки зрения зонной теории.

3. Какие полупроводники называются донорными ( n -типа) и акцепторными ( р –типа)?

4. Какие физические процессы происходят на контакте двух полупроводников разного типа проводимости? Что такое p-n- переход?

5. Изобразите энергетические зоны полупроводника в области перехода в случае, когда внешнее поле отсутствует. Что такое контактная разность потенциалов?

6. Объясните, какими носителями тока (основными или неосновными) определяется ток через p-n- переход в случаях: а) при обратном включении диода, б) при прямом включении диода.

7. Изобразите на чертеже вольтамперную характеристику полупроводникового диода. Что такое прямой и обратный токи? Охарактеризуйте их зависимость от напряжения.

8. Из каких величин складывается полное сопротивление диода? Что такое внутреннее сопротивление полупроводникового диода?

9. Каким образом по вольтамперной характеристике полупроводникового диода можно определить коэффициент выпрямления и внутреннее сопротивление диода?