Описание экспериментальной установки.

Установка состоит из источника питания с регулируемым напряжением (ВУП), фотоэлемента и источника света.

Рис. 3

Источником света в данной работе служит лампа накаливания, которую приближенно можно считать точечным источником, так как размер нити накаливаниямал по сравнению с расстоянием R от лампы до фотоэлемента. Схема подсоединения измерительных приборов - микроамперметра и вольтметра - показаны на рисунке 3.

ПОРЯДОК ВЫПОНЕНИЯ РАБОТЫ

Для снятия вольт-амперной характеристики:

1. Установить осветитель на небольшом расстоянии от фотоэлемента (световой поток).

2. Постепенно увеличивая анодное напряжение (через 6-10В) записать показания вольтметра и амперметра в табл. 1.

3. Переместить источник света на небольшое расстояние и повторить измерения пунктов 1 и 2.

Таблица 1

I, mA
U, B

4. Построить вольтамперные характеристики I=f(U).

Для снятия световой характеристики:

1. Определить из графиков I=f(U) напряжения , характеризующие области насыщения.

2. Установить анодное напряжение, соответствующее области насыщения ( I_н) для обоих световых потоков. Изменяя расстояние между осветителем и фотоэлементом (5-6 раз), измерить освещенность окна фотоэлемента люксметром. Записать для этих расстояний показания микроамперметра в табл. 2.

Таблица 2

Е, лк
Ф, лм
I, мкА
J, мкА/лм

3. Вычислить световой поток для каждого расстояния по формуле

,

где S – площадь фотоэлемента, м².

4. Вычислить чувствительность для всех значений светового потока.

5. Построить график .

Примечание: ПРЕДЕЛ ЛЮКСМЕТРА УСТАНОВИТЬ К.Р. Лк.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление фотоэффекта?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Перечислите и охарактеризуйте виды фотоэффектов.

4. Запишите формулу Эйнштейна для фотоэффекта и охарактеризуйте величины входящие в неё. Рассмотрите применение этой формулы для объяснения законов фотоэффекта

5. Что называют работой выхода, от чего она зависит в случае фотоэффекта

6. На основе зонной теории твердого тела объясните механизм влияния электромагнитного излучения (света) на электропроводность полупроводников.

7. Назовите и дайте определения основных параметров фоторезисторов, вакуумных и полупроводниковых фотоэлементов, фотодиодов (светодиодов).

Список рекомендуемой литературы:

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.

2. Бутиков Е.И. Оптика. М.: Высшая школа. 1986.

3. Гершензон Е.М., Малова Н.Н. Лабораторный практикум по общей физике. М.: Просвещение, 1985.

Лабораторная работа ФПК-6

«Изучение p-n перехода»

Цель работы: 1. Исследовать свойства p-n переходов;

2. Снять ВАХ при прямом и обратном направлении протекающего через переход тока;

3. Снять ВФХ p-n перехода;

4. Построить характеристики исследуемых p-n переходов.

Оборудование: измерительное устройство, объект исследования.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Для изолированных друг от друга N атомов схемы их энергетических уровней полностью совпадают (постулат стационарных состояний Бора). По мере сближения атомов, когда расстояния между ними станут равными межатомным расстояниям в твердых телах, между ними возникает всё увеличивающееся взаимодействие, которое приводит к смещению, расщеплению и расширению энергетических уровней. Возникает N близко расположенных (De » 10^-23¸10^-23 эВ), но не совпадающих уровней, образующих зону. Причём заметнее всего расщепляются внешние уровни валентных электронов и более высокие. Если естественная ширина спектральных линий составляет примерно 10^-7 эВ, то в кристаллах энергетические уровни валентных электронов расширяются в зону дозволенных значений энергии порядка (De » 1¸10 эВ). Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами.

Классификация твердых тел по зонной теории

В зависимости от степени заполнения валентной зоны и ширины запрещенной зоны возможны следующие три случая (рис.1).

В случае а электроны заполняют валентную зону не полностью. Это может наблюдаться в случае, когда на последнем занятом уровне в атоме находится только один электрон или когда имеет место перекрытие зон. Поэтому достаточно сообщить электронам, находящимся на верхних уровнях, совсем небольшую энергию, чтобы перевести их на более высокие уровни. Энергия теплового движения при 1 К составляет 10^-4эВ. Следовательно при тепловом движении часть электронов переводится на более высокие уровни. Электроны также могут ускоряться и внешним электрическим полем при этом движутся в направлении, противоположном этому полю.

В случае б и в уровни валентной зоны полностью заняты электронами. Для того, чтобы увеличить энергию электрона необходимо сообщить ему количество энергии, не меньшее, чем ширина запрещенной зоны De. Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт (NaCl: DЕ = 6 эВ), то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком. Если же запрещенная зона достаточно узка (Ge: DЕ = 0,72 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, и кристалл является полупроводником. В отличие от металлов проводимость полупроводников с ростом температуры увеличивается (нелинейно). При Т=0 К в зоне проводимости металлов, в отличие от полупроводников и диэлектриков, имеются электроны. Полупроводники при этой температуре становятся диэлектриками.

Виды полупроводников и их проводимостей

Химически чистые полупроводники называют собственными, а их проводимость – собственной.

Примесными называются полупроводники с искусственно введенными примесями существенно влияющими на проводимость. Электропроводность полупроводников также зависит от внешних энергетических воздействий (например: свет, тепло). Примесная приводимость, в отличие от собственной, характеризуется избыточной концентрацией одного из носителей заряда – электронов или дырок.

Доноры и акцепторы.

Доноры. Заполненные при отсутствии внешних энергетических воздействий (теплота, свет) примесные уровни расположены в запрещенной зоне около дна зоны проводимости. При этом энергия примесных атомов меньше, чем ширина запрещенной зоны около дна зоны проводимости. Положительные заряды, возникшие у отдаленных друг от друга примесных атомов остаются локализованными, т.е. не могут блуждать по кристаллу и участвовать в электропроводности. Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, большую, чем концентрация дырок, появившихся за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником п-типа, а примеси, поставляющие электроны в зону проводимости – донорами.

Акцепторы. Другие примеси могут внести незаполненные уровни, располагающегося в запрещенной зоне основного полупроводника вблизи «потолка валентной» зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь забрасывать электроны из валентной зоны на эти свободные примесные уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую, чем концентрация электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником p-типа.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника называют акцепторами.

В большинстве полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Наличие у полупроводников двух типов электропроводности электронной (п) и дырочной (р) позволяет получить полупроводниковые изделия с р-п переходом. Прибор состоящий из p-n-перехода и двух металлических контактов для включения во внешнюю цепь называется полупроводниковым диодом. Диоды обладают свойством односторонней проводимости и их иногда называют выпрямителями.

Электронно-дырочный переход

Пусть полупроводник n-типа приводится в контакт с полупроводником p-типа. При чем, при контакте расстояние между ними должно быть соизмеримо с межатомным расстоянием. Электроны из полупроводника n-типа, где их концентрация выше, будут диффундировать в p-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении, то есть в направлении p→n.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных донорных атомов. В p-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого направлено от n—области к p-области и препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n-p и дырок в направлении p-n. Обедненный основными носителями заряда слой, толщиной около 10^-6 м, обладает очень большим сопротивлением и называется запирающим.

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n- полупроводника к p-полупроводнику (плюсом к n и минусом к p), то есть совпадает с полем контактного слоя (рис.3), то оно вызывает движение основных носителей в противоположные от границы стороны. В результате запирающий слой расширяется и его сопротивление растет. Направление внешнего поля, расширяющего контактный слой называется обратным или запирающим. В этом направлении ток через p-n-переход практически не проходит и образуется лишь за счет неосновных носителей заряда (электронов в p-, дырок в n-полупроводнике), концентрация которых незначительна.

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя, то оно вызывает движение основных носителей заряда к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют (заряды компенсируются), толщина контактного слоя уменьшается и сопротивление падает (рис.4). Вблизи границы возрастает концентрация неосновных носителей заряда. Это явление введения неосновных носителей заряда, происходящее при приложении внешнего напряжения плюсом к p- и минусом к n-области называется инжекцией неосновных носителей заряда. Рассматриваемое включение p-n-перехода называется прямым или пропускным.