Контрольные вопросы и задания

1. Рассказать об энергетических зонах (т.е. о зоне проводимости, валентной и запретной зонах) и степени их заполнения в полупроводниках, металлах и диэлектриках.

2. Каков механизм фотопроводимости в чистом полупроводнике и в полупроводнике с донорными и акцепторными примесями?

3. Как устроен фоторезистор? Как повлияет нагрев на работу фоторезистора?

4. Что такое вольт-амперные и световые характерис- тики ФС? Как их получить, какой они имеют вид? Чем объясняется нелинейный характер световых характеристик?

5. Каковы важнейшие характеристики ФС? Как их определить опытным путём? Что такое интегральнаяя удельная чувствительность?

6. Объяснить принципы действия фотоэлементов различных типов.

7. Что такое энергия активации?

8. Рассказать об устройстве ФС, об их достоинствах и недостатках.

9. Рассказать о применении ФС.

Лабораторная работа № 23 изучение полупроводникового диода

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода.

Приборы: полупроводниковые диоды, установка для регистрации их вольт-амперных характеристик.

Теоретические сведения

По зонной теории, рассматривающей поведение электронов в твёрдых телах с энергетической точки зрения, к полупроводникам относятся твёрдые тела, для которых валентная зона полностью занята и отделена от свободной проводимости неширокой запретной зоной. В полупроводниках имеются носители тока двух типов: электроны и фиктивные положительные частицы – дырки.

Электронная проводимость возникает, когда появляются электроны, занимающие состояние в зоне проводимости, а дырочная, когда в валентной зоне появляются после ухода электронов незанятые состояния – дырки.

Рис. 77

Чистый полупроводник имеет слабую собственную электронно-дырочную проводимость за счёт перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости вследствие теплового возбуждения. Вводя соответствующие примеси, можно придать полупроводнику преимущественно электронную или дырочную проводимость. Так, небольшое количество атомов пятивалентной сурьмы (донорная примесь), введённое в кристалл четырёхвалентного кремния или германия, придаёт кристаллу электронную проводимость (n-типа, рис. 77,а). Примесь же трёхвалентного индия (акцепторная примесь) придаёт этим полупроводникам дырочную проводимость (p-типа, рис. 77,б).

На зонной системе донорные уровни располагаются в запретной зоне ближе к зоне проводимости, в которую с них и переходят электроны (рис. 77).

Акцепторные свободные уровни располагаются в запретной зоне ближе к валентной зоне, и на них переходят электроны из валентной зоны, оставляя в нём незаполненные состояния – дырки (рис 77,б).

В полупроводниковых диодах используется электронно-дырочный n-p-переход: область соприкосновения объёмов кристалла с разными типами проводимости. Такой переход делается путём химико-металлургического введения донорной и акцепторной примесей в монокристаллы германия или кремния.

Рис. 78

При образовании электронно-дырочного перехода происходит рекомбинация электронов с дырками в тонком приконтактном слое, возникает запорный слой, лишённый носителей, обладающий низкой проводимостью (рис. 78,а). Запорный слой похож на тонкую диэлектрическую прослойку между участками с n- и p- проводимостью.

Внешнее напряжение прямой полярности перемещает электроны и дырки навстречу через электронно-дырочный переход, запорный слой ликвидируется, через диод течёт ток в прямом (пропускном) направлении (рис. 78,б). Внешнее напряжение обратной полярности (рис. 78,в) перемещает электроны и дырки в стороны от n-p-перехода, запорный слой расширяется, и в обратном (запертом) направлении течёт только малый ток неосновных носителей.

Прямой ток с увеличением напряжения круто нарастает по экспоненте, обратный ток меняется слабо. Нагрев диода заметно увеличивает обратный и прямой токи.

Когда к диоду приложено переменное напряжение, запорный слой пульсирует по толщине, и через диод течёт пульсирующий ток одного направления. Диоды используются в различных выпрямительных схемах и для детектирования высокочастотных сигналов.

Основными параметрами диода являются:

1. максимальный допустимый ток, не перегревающий диод чрезмерно;

2. максимальное допустимое обратное напряжение, не вызывающее пробоя запертого n-p-перехода. Например, у распространённого кремниевого диода Д226 максимальный прямой ток I = 0,3 А, максимальное обратное напряжение U = 300 В.