Лабораторные работы по курсу общей физики

Так как при заданной интенсивности света Iсв генерация неравновесных

носителей пропорциональна коэффициенту поглощения α , то вблизи

поверхности образуется повышенная концентрация неравновесных носителей заряда, которые эффективно рекомбинируют на поверхностных состояниях, не успевая диффундировать в объем кристалла. Для этого процесса на рис.6

показана зависимость коэффициента поглощения и фотопроводимости от длины волны λ .

Описание экспериментальной установки

Вольт-амперная и световая характеристики фоторезистора снимаются по схеме рис.7. Фоторезистор освещается с помощью электрической лампочки.

Для изменения светового потока расстояние от фоторезистора до лампочки можно изменить и зафиксировать. Световой поток определяется по формуле

где I –сила света источника, S – площадь активной поверхности фоторезистора, r – расстояние между фоторезистором и источником света.

Спектральная характеристика снимается по схеме рис.8.

A

V

R

Рисунок 7 Рисунок 8

Свет от источника падает на входную щель монохроматора, ширина которой должна быть постоянной в течение всего эксперимента. Фоторезистор устанавливается у входной щели монохроматора. Длина волны света, падающего на фоторезистор, определяется по градуировочной кривой зависимости длины волны от числа делений на барабане монохроматора.

Так как различным длинам волн λ соответствует разная мощность излучения ελ , то для построения спектральной характеристики значения

величин фототока, снимаемых по показаниям микроамперметра, следует пересчитать, приводя их к постоянной освещенности фоторезистора. Пересчет

проводится по формуле

Задание к работе

1.Снять три вольт-амперные характеристики фоторезистора при различных

постоянных значениях светового потока Ф = 0, Ф = Ф1, Ф = Ф2 . Значение Ф определяется при расстоянии r, задаваемом преподавателем.

2.Снять три световые характеристики при трех различных значениях напряжения на фоторезисторе.

3.По схеме, показанной на рис.6, снять спектральную характеристику фоторезистора. Источником света служит лампа с вольфрамовой нитью

накаливания. Построить график зависимости IФ = f(λ)ε=const.

4. Определить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен фоторезистор.

Контрольные вопросы

1.Какое явление называется внутренним фотоэффектом?

2.Что такое фотопроводимость, фототок?

3.Объясните механизм фотопроводимости в собственном и примесном полупроводниках.

4.В чем состоит принцип действия фоторезистора?

5.Как изменяются световые и вольт-амперные характеристики фоторезистора при возрастании светового потока?

6.Какая зависимость называется спектральной характеристикой фоторезистора? Какой она имеет вид?

7.Объясните спектральную зависимость фототока в собственной и примесной области поглощения.

8.Почему на спектральной характеристике наблюдается уменьшение фотопроводимости при уменьшении длины световой волны?

9.Что такое рекомбинация и время жизни носителей заряда?

10.Как оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен фоторезистор?

Литература

1.Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1977, § 60.

2.Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: Сов.радио, 1971. - С.219-224.

3.Бушманов В.Н., Хромов Ю.А. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 1991. – С.149-152.

Работа № 44

Изучение характеристик электронно-дырочного перехода

Цель работы

Исследовать вольт-амперную характеристику плоскостного p − n перехода и ее зависимость от температуры.

Вывод уравнения вольт-амперной характеристики плоскостного p − n перехода

Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n -типа, а другая p -типа, называется электронно-дырочным ( n − p или p − n ) переходом. Переход, линейные

размеры которого, определяющие его рабочую площадь, значительно больше его толщины, называется плоскостным.

Рассмотрим процесс установления термодинамического равновесия в несимметричном p − n -переходе с резким изменением типа проводимости на границе.

Обозначим концентрацию электронов в электронной области как nn , дырок в дырочной области как pp (основные носители заряда), электронов в дырочной области np , дырок в электронной области pn (неосновные

носители), толщину переходной области d , площадь p − n -перехода S . В невырожденных, но достаточно легированных полупроводниках концентрации электронов nn и дырок pp велики по сравнению с

собственной концентрацией носителей заряда ni :

электронов в p -область, создающая диффузионный ток

убывания концентрации электронов.

Аналогично диффузионный ток, обусловленный диффузией дырок в n -область, равен

ионизированные доноры и неравновесные дырки (рис.1), Поэтому n - область у границы перехода заряжается положительно. В p -области у границы перехода на расстоянии d p остаются нескомпенсированные

ионизированные акцепторы и неравновесные электроны и p -область у границы перехода заряжается отрицательно.

Vk

d

Рисунок 1

Ширина p − n перехода равна d = d p + dn . При этом в области p − n -

перехода возникает двойной электрический слой (потенциальный барьер)

и электрическое поле этих зарядов препятствует диффузионному переходу основных носителей. Это поле приводит к появлению дрейфового тока неосновных носителей из p -области в n -область

электронов и дырок.

В установившемся динамическом равновесии, когда уровни Ферми в n - и p -областях выравниваются (рис.2), общий ток через p − n -переход равен нулю:

Обратим внимание на то, что потенциал у границы n -области повышается, а потенциал у границы p -области снижается. Однако в области, где потенциал отрицательный ( −Vk ), энергия электронов повышается на величину (−e)(−Vk ) =| eVk | (рис.3).

Концентрация электронов в p -области равна

Из (6) и (7) следует

В состоянии термодинамического равновесия из (1) и (3) с учетом равенства (5) следует

Разделяя переменные, получаем

dn = - vn dx . n Dn

Интегрируем полученное выражение:

Потенцируя, имеем следующее выражение:

Заменяя vn = mn E , получаем

Из (8) и (10’) следует

eVk = mn Ed . kT Dn

Заменим Ed =Vk . Тогда

Это выражение называется соотношением Эйнштейна для электронов. Аналогично получаем соотношение Эйнштейна для коэффициента диффузии дырок:

Из (11) и (12) видно, что коэффициенты диффузии электронов и дырок зависят от подвижностей μn , μ p и температуры T .

поэтому величины токов этих носителей при приложении напряжения не изменяются и равны величинам токов равновесных неосновных носителей, определяемых выражениями (3), (4), (5).

При приложении к p − n -переходу внешней разности потенциалов в прямом (пропускном) направлении (рис.4) происходит инжекция электронов в p -область, дырок в n -область, а высота потенциального барьера уменьшается на eV .

- +

Рисунок 4

Соотношение между концентрациями основных nn и неосновных n′p носителей (см.(8)) изменяется следующим образом:

где np - равновесная концентрация электронов в p -области.

Из (14) видно, что появляется избыточная концентрация электронов на границе p -области:

Избыточные электроны диффундируют в глубь p -области и постоянно рекомбинируют с дырками. Появляется электрический ток через p − n -

переход

рассуждения показывают, что появляется также дырочный ток через p −n -

переход

Из (15), (16), (17) получаем прямой ток через p −n -переход