11

В n-области в результате рекомбинации электронов с перешедшими сюда из р-области дырками пограничный слой заряжается положительно благодаря нескомпенсированному положительному заряду ионов донорной примеси. Таким образом, в области контакта образуется двойной электрический слой объемных зарядов (d), а, следовательно, контактное электрическое поле, напряженность которого направлена от n-области к p- области.

Приконтактная область обладает большим электрическим сопротивлением, т.к. концентрация свободных носителей заряда в ней очень мала. Эта область обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Контактное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда навстречу друг другу.

На рис.6а показана зонная схема p-n перехода, находящегося в термодинамическом равновесии. Диффузионное перетекание основных носителей, приводящее к появлению нескомпенсированных зарядов в приконтактных областях, вызывает смещение энергетических уровней. В n–области, зарядившейся положительно, уровни понижаются, а в p-области – смещаются вверх. Перемещение уровней происходит до тех пор, пока уровни Ферми (ЕFn и EFp) не расположатся на одной высоте, что соответствует установлению состояния равновесия. Сдвиг энергетических зон соответствует образованию в области контакта потенциального барьера, высота которого равна еϕ, где ϕ - контактная разность потенциалов. Высота потенциального барьера

eϕ = EFp − EFn .

Контактное электрическое поле является регулятором перехода носителей через p-n- переход. Преодолеть потенциальный барьер могут лишь те основные носители, энергия которых больше потенциального барьера. Но высокоэнергетичных электронов и дырок мало, т.к. основная часть электронов находится вблизи дна зоны проводимости, а дырок – вблизи потолка валентной зоны. Поэтому потоки основных носителей через область перехода невелики, хотя общее число этих носителей огромно.

Вместе с тем, контактное электрическое поле способствует переходу через границу раздела неосновных носителей, создающих дрейфовый ток (Is), который направлен навстречу диффузионному. Дрейфовый ток имеет также две составляющие: электронную и дырочную.

I s = Ins + I ps

Величина дрейфового тока невелика, т.к. определяется концентрацией неосновных носителей и практически не зависит от значения контактной разности потенциалов ϕ. Сумма токов диффузионного и дрейфового токов в условиях равновесия равна нулю.

При обычных температурах контактный слой является запирающим. Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если полупроводник с р–n-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то возникающее поле совпадает по направлению с контактным электрическим полем. Так как область перехода обладает большим сопротивлением по сравнению с остальной частью полупроводника, то приложенная внешняя разность потенциалов практически вся будет падать на запирающем слое и падением напряжения на остальных участках полупроводников можно пренебречь. Внешнее напряжение U смещает уровни энергии в контактирующих областях на величину, равную еU. Сдвигаются и уровни Ферми, что указывает на нарушение состояния равновесия. Высота потенциального барьера возрастает и становится равной е(ϕ+U). Приложенное напряжение препятствует диффузионному движению основных носителей. Основные носители тока как бы "отступают" от p-n-перехода, что приводит к увеличению толщины и возрастанию сопротивления контактного слоя. Однако незначительному количеству неосновных носителей зарядов из n- и p-области удается пройти p-n переход, и в цепи будет протекать весьма небольшой ток, называемый обратным током. Напряжение, поданное на p- n переход в этом случае, называют обратным, и его принято считать отрицательным.

12

Если p-n-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то высота потенциального барьера уменьшается на величину приложенного напряжения и становится равной е(ϕ-U). Снижение потенциального барьера приводит к увеличению числа электронов n-области, обладающих энергией, необходимой для его преодоления, что обусловливает быстрый рост диффузионного тока. Кроме того, в этом случае внешнее и контактное поля в области перехода имеют противоположные направления. Поэтому результирующее поле оказывается ослабленным, из-за чего уменьшается толщина и сопротивление контактного слоя, что также способствует росту диффузионного тока. Поскольку сила дрейфового тока мала, то можно сказать, что ток, текущий через p-n- переход, полностью обусловлен потоками основных носителей (этот ток назыают прямым). Сила тока в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника. Напряжение, поданное на p-n переход в этом случае, называют прямым и считают положительным.

Таким образом, p-n переход обладает односторонней проводимостью.

p-n-переход при освещении

Если на p-n-переход направить поток фотонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, то по обе стороны от контактного слоя и в самом слое возникают пары неравновесных носителей «электрон-дырка». Пары, генерируемые в запирающем слое, сразу разделяются контактным электрическим полем, причем электроны движутся в область с n- типом проводимости, а дырки – в р-область. Кроме того, вследствие диффузии в контактный слой попадают электроны, созданные светом в р-области, и дырки из n-области. Неосновные носители заряда, созданные светом, создают обратный ток (фототок Iф).

С другой стороны, разделение зарядов при отсутствии внешнего напряжения приводит к понижению потенциального барьера на величину eUф, где Uф – фото-ЭДС, и уменьшению толщины запирающего слоя (d′′) (рис.6б). В результате через переход пойдет прямой ток I, который, как известно из теории p-n-перехода, определяется выражением:

eU

I = I s (e kT −1) ,

где U – внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, Is – значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения (дрейфовый ток), k – постоянная Больцмана, T – температура. В состоянии равновесия встречные токи Iф и I равны, и тогда

eUф

Iф = I s (e kT −1) .

Отсюда можно определить фото-ЭДС, которая возникает в освещенном p-n-переходе, который не включен в электрическую цепь (вентильный режим работы фотодиода).

Также существует фотодиодный режим работы (при наличии внешнего напряжения). Если освещенный диод включен в электрическую цепь и к нему подведено внешнее напряжение U, то в цепи возникнет ток

eU

I = Is (e kT −1) − Iф .

При коротком замыкании фотодиода (U=0) ток во внешней цепи I = −Iф , т.е. обусловлен

потоком только неравновесных неосновных носителей заряда, созданных светом и разделенных контактным электрическим полем. Обычно к фотодиоду прикладывается обратное напряжение (-U), причем, достаточно большое, так что в этом случае

I = −Is − Iф .

13

Вольтамперные характеристики p-n-перехода при освещении

На рис.7 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) освещенного p-n- перехода для кремниевого диода при различных световых потоках (Ф2 > Ф1), а также темновая ВАХ фотодиода (Ф = 0).

Вольтамперная характеристика описывается уравнением:

eU

I = Is (e kT −1) − Iф .

Величина фототока Iф прямо пропорциональна световому потоку.

При прямом напряжении, приложенном к p-n-переходу, полный ток через переход быстро растет по экспоненциальному закону по мере увеличения напряжения за счет диффузионного тока основных носителей заряда при неизменном дрейфовом токе неосновных носителей. При увеличении напряжения величина прямого тока очень быстро становится больше величины фототока Iф, и поэтому все ВАХи, начиная с некоторого значения прямого напряжения, сливаются в одну кривую, которая быстро стремится вверх. Тогда как при меньших значениях прямого напряжения вольтамперные характеристики будут существенно отличаться друг от друга (рис.7). При определенных значениях прямого напряжения полный ток через переход меняет свое направление и становится отрицательным. Кривые переходят в IV квадрант координатных осей, и ход их определяется величиной фототока, который прямо пропорционален световому потоку Ф. Эта часть кривых соответствует режиму генерации фото-ЭДС (вентильный режим работы p-n-перехода).

Рис.7. ВАХ p-n-перехода при различных световых потоках (Ф2>Ф1) и темновая ВАХ

(Ф=0).

Обратный ток через p-n-переход сначала довольно быстро растет (по модулю) за счет резкого уменьшения диффузионного тока основных носителей заряда с увеличением потенциального барьера. При дальнейшем увеличении обратного напряжения диффузионный ток падает практически до нуля, и обратный ток становится равным дрейфовому току и фототоку, которые не зависит от приложенного напряжения. При этом величина полного обратного тока практически равна величине фототока Iф. Это уже видно из того, что обратный ток неосвещенного p-n-перехода на несколько порядков меньше

14

обратного тока при освещении. Поэтому на рис. 7 обратная ветвь ВАХ неосвещенного p-n- перехода практически совпадает с осью координат х.

Если к освещенному p-n-переходу приложено обратное напряжение, то кривые ВАХ переходят в III квадрант, сохраняя величину обратного тока практически неизменной. Эта область ВАХ соответствует фотодиодному режиму работы p-n-перехода и используется для измерения освещенности, т.к. величина обратного тока, равного фототоку, прямо пропорциональна световому потоку, падающему на фотодиод.

Таким образом, ВАХ освещенного p-n-перехода (также как и неосвещенного) существенно нелинейна. р-n-переход обладает очень большим сопротивлением в случае обратного тока через переход и малым сопротивлением в случае прямого тока. Величину

RД = dUdI называют дифференциальным сопротивлением, характеризующим изменение

напряжения при изменении тока через p-n-переход. Дифференциальное сопротивление диода при обратном токе очень велико – от 104 до 108 Ом.

Так как на ВАХ p-n-перехода имеются области с существенно различными дифференциальными сопртивлениями, то необходимая точность измерения ВАХ может быть достигнута при определенных условиях измерений. На прямой ветви ВАХ, где дифференциальное сопротивление мало, небольшие изменения прямого напряжения приводят к большим изменениям тока. Поэтому при измерении прямой ветви целесообразно задавать прямой ток через диод и измерять прямое напряжение. Требование «задавать ток через диод» означает, что внутреннее сопротивление источника питания должно быть больше сопротивления диода. Это условие распространяется и на измерение напряжения на всех участках ВАХ, где дифференциальное сопротивление мало.

На обратной ветви ВАХ, где дифференциальное сопротивление велико, изменение напряжения приводит к незначительному изменению тока. Поэтому при измерении обратной ветви ВАХ надо задавать напряжение, приложенное к диоду, и измерять ток.

Как уже указывалось, существует два режима работы фотоэлементов с электроннодырочным переходом:

1. Фотогальванический (вентильный) режим, т.е. режим генерирования фото-ЭДС, - без внешнего источника питания.

2. Фотодиодный режим, - когда на p-n-переход подано обратное напряжение. Фотогальванический режим соответствует IV квадранту вольтамперной характеристики.

Участок ВАХ, расположенный в IV квадранте рис. 7, представляет собой вольтамперную характеристику фотогальванического элемента, т.е. элемента, который является преобразователем световой энергии в электрическую. Несколько десятков таких элементов, соединенных последовательно, образуют «солнечную» батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических станциях и спутниках Земли.

Фотодиодный режим соответствует III квадранту рис. 7. При изменении светового потока вольтамперные характеристики смещаются параллельно оси абсцисс на величину, пропорциональную световому потоку. Зависимость тока фотодиода от светового потока при постоянном обратном напряжении называется световой характеристикой фотодиода. Поскольку фотодиоды имеют линейную световую характеристику, они используются для фотометрии. Фотодиоды имеют преимущества перед другими фотоэлементами: малый вес и габариты, высокая чувствительность, небольшие рабочие напряжения.

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для измерения прямой ветви вольтамперной характеристики кремниевых фотодиодов приведена на рис. 8.

16

В установку входят:

1. Измерительный блок.

2.Фотометрический блок.

3.Блок питания типа ТЭС 1300 К.

4.Цифровой вольтметр типа В7-27 (В7-23), включённый в режим измерения тока ( A).

5.Цифровой вольтметр типа В7-27 (В7-23), включённый в режим измерения напряжения

(В).

На передней панели измерительного стенда расположены:

-переключатель П1, который в положении " ВКЛ " обеспечивает подачу на исследуемый фотодиод прямое или обратное напряжение;

-переключатель П2, который в положениях "пр. ВАХ " или "обр. ВАХ " позволяет провести измерения прямой или обратной ветви вольтамперных характеристик кремниевого фотодиода;

-тумблер П3 в положении “0” дополнительно обеспечивает установку необходимого значения прямого напряжения в режиме " ТОЧНО ";

-тумблер П4, обеспечивает включение лампочки накаливания (ЛН), находящейся в фотометрическом блоке при измерении световой характеристики исследуемого фотодиода;

-гнёзда " + А - " для подключения цифрового вольтметра В7-27 (В7-23), обеспечивающего измерение прямого или обратного тока исследуемого фотодиода;

-гнёзда " + В - " для подключения цифрового вольтметра В7-27 (В7-23), обеспечивающего измерение прямого или обратного напряжений на исследуемого фотодиода;

-переменные резисторы " РЕГУЛИРОВКА I, U " , " ГРУБО" , " ТОЧНО " , с

помощью которых устанавливаются необходимые значения прямого или обратного напряжения или тока исследуемого фотодиода.

В фотометрическом блоке находятся источник света (лампочка накаливания) и исследуемый кремниевый (Si) фотодиод. В качестве источника света используется электрическая лампочка накаливания МН 13,5 В; 0,16 А. Перемещением лампочки накаливания изменяется величина освещённости фоточувствительной площадки исследуемого фотодиода. Отсчёт расстояния между лампочкой и фотодиодом производится по линейке со шкалой.

Некоторые особенности измерения вольтамперных характеристик фотодиодов.

На прямой ветви вольтамперной характеристики фотодиода, на участке (см. рис.7), где дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току) фотодиода мало, небольшие изменения прямого напряжения приводят к большому (резкому) изменению прямого тока. Поэтому при измерении прямой ветви ВАХ целесообразно задавать прямой

ток Iпр и измерять прямое напряжение Uпр .

На обратной ветви ВАХ фотодиода, на участке (см. рис. 7), где дифференциальное сопротивление фотодиода велико, изменения обратного напряжения в интервале от 0 до - 5 В слабо влияет на изменение обратного тока. Поэтому при измерении обратной ветви ВАХ

целесообразно задавать обратное напряжение (Uобр и измерять обратный ток Iобр ).

Подготовка приборов к работе

1. Установить тумблеры " СЕТЬ " на блоке питания ТЕС 1300 К и цифровых вольтметров В7-27 (В7-23) в положение “ ВЫКЛ ”.

17

2. Переключатели П1 и П4 на панели измерительного стенда поставьте в нижнее положение “ ВЫКЛ ”.

Поверните ручки переменных резисторов “ РЕГУЛИРОВКА I, U ” против часовой стрелки до лёгкого упора в положение " 0 ".

3.Переключатель П3 поставьте в положение “ R ”.

4.Подсоедините к измерительному стенду с помощью соединительных кабелей блок питания и фотометрический блок.

5.Подключите с помощью соединительных проводов к гнёздам " + µА - " цифровой вольтметр В7-27 и подготовьте его к измерению силы прямого или обратного тока исследуемого фотодиода. Для этого ручку переключения пределов измерения поставьте в

положение 10 µА.

6.Подключите с помощью соединительных проводов к гнёздам " + В - " цифровой вольтметр В7-27 (В7-23) и подготовьте его к измерению прямого или обратного напряжения на исследуемом фотодиоде. Для этого ручку переключения пределов измерения поставьте в положение 10 В .

7.За 10 ~ 15 мин до начала работы установите тумблеры " СЕТЬ " на блоке питания ТЕС 1300 К и цифровых вольтметрах В7-23 в положение " ВКЛ ".

Порядок выполнения работы

Задание 1. Измерение прямой и обратной ветви ВАХ при отсутствии освещения потоком излучения фотодиода ФД-256.

1.1. Измерение прямой ветви ВАХ фотодиода без освещения потоком излучения. Поставьте переключатель П2 измерительного блока установки в положение

“ пр. ВАХ ”, а переключатель П1 "± 5В; m5В" .в положение " ВКЛ " и приступайте к

измерению прямой ветви ВАХ исследуемого фотодиода. Для этого, медленно вращая поочередно ручки резисторов “РЕГУЛИРОВКА I, U” “ ГРУБО “ ,

“ ТОЧНО “ по часовой стрелке и переводя при необходимости переключатель П3 в положение “0”, установите указанные в таблице №1 (колонка Е = 0) значения прямого тока +Iпр и выполните измерения соответствующих значений прямого напряжения +Uпр .

Результаты измерений занести в таблицу № 1.

Примечание! Установка необходимого значения прямого тока в режиме «ТОЧНО» эффективно только при значениях прямого тока больше 5 мкА. В этом случае необходимо с помощью переменного резистора «ГРУБО» становить значение прямого тока на 5-10% меньше значения, указанного в таблице, а затем, вращая переменное сопротивление «ТОЧНО», установить необходимое значение тока. Если это окажется недостаточным, то необходимо вернуть переменный резистор в начальное положение «0», переключатель П3 поставить в положение «0», а затем резистором «ТОЧНО» установить требуемое значение тока. Перед установкой следующего значения прямого тока переключатель П3 поставьте в положение «R», а переменный резистор «ТОЧНО» в положение «0».

Допускается установка значений прямого тока с отклонением ± 5 % от значений, указанных в таблице

№1.

После завершения измерений, вращая ручки переменных резисторов " РЕГУЛИРОВКА I, U " против часовой стрелки, установите их в начальное положение " 0 ".

1.2. Измерение обратной ветви ВАХ фотодиода без освещения.

Поставьте переключатель П2 измерительного блока установки в положение "обр. ВАХ " и приступайте к измерению обратной ветви ВАХ исследуемого фотодиода. Для этого, медленно вращая ручку резистора " РЕГУЛИРОВКА I, U " , " ГРУБО" по часовой стрелке установите указанные в таблице № 2. (колонка Е = 0) значения обратного напряжения −Uобр

и выполните измерения соответствующих значений обратного тока −Iобр . Результаты

измерений внести в таблицу № 2 После завершения измерений, вращая ручки переменных резисторов " РЕГУЛИРОВКА

I, U " против часовой стрелки, установите их в начальное положение " 0 ".

18

Таблица № 1.

Задание2. ИзмерениепрямойиобратнойветвиВАХприосвещении фотодиода световым потоком излучения.

2.1. Измерениепрямой ветви ВАХфотодиодаприосвещениипостоянным световым потоком излучения.

Включите источник питания лампочки накаливания фотометрического блока. Для этого тумблер П4 поставьте в положение " ВКЛ ". Установите лампочку накаливания на фотометрическом блоке на расстоянии l1=30смот фотодиода и приступайте к измерению ВАХ исследуемого фотодиода.

Для этого поставьте переключатель П2 измерительного блока установки в положение "пр. ВАХ ". Проверьте установкуручек переменных резисторов " РЕГУЛИРОВКА I, U " , " ГРУБО" , " ТОЧНО " в начальное положение " 0 " и запишите в таблицу № 1. (строка 1 ) показания микроамперметра и вольтметра с учётом знака полярности. Далее выполните те же измерения, что и по п. 1.1. Результаты измерений занесите в колонку E1(l1= 30 см) таблицы

№1.

2.2.Измерение обратной ветви ВАХ фотодиода при освещении постоянным световым потоком излучения.

При неизменном расстоянии l1= 30 сммежду лампочкой накаливания на

фотометрическом блоке и фотодиодом установите переключатель П2 измерительного блока установки в положение "обр. ВАХ ". Проверьте установку ручек переменных резисторов "РЕГУЛИРОВКА I, U " , " ГРУБО" , " ТОЧНО " в начальное положение " 0 " и запишите в таблицу № 1. (строка 1 ) показания микроамперметра и вольтметра с учётом знака полярности. Далее выполните те же измерения, что и по п. 1.2. Результаты измерений занести в колонку E1(l1= 30 см) таблицы № 2.

2.3. Повторить измерения прямой ветви по п. 2.1. и обратной ветви по п. 2.2. ВАХ исследуемого фотодиода при освещении постоянным световым потоком излучения для расстояний между лампочкой накаливания и фотодиодом l2 = 20 см и l3 = 10 см . Результаты

измерений занести в таблицу №1 (колонка E2 (l2 = 20 см) и колонка E3 (l3 = 10 см) ) для прямой ветви и в таблицу №2 (колонка E2 (l2 = 20 см) и колонка E3 (l3 = 10 см) ) для обратной ветви ВАХ исследуемого фотодиода.