close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

4169 juspekova n. j. zeytova sh. s. isimova b. sh fizika poluprovodnikov

код для вставкиСкачать
537
Ф50
Па ь л
о да
Р С Т В О О Б Р А ЗО В А Н И Я И Н А У К И Р Е С П У Б Л И К И К А ЗА Х С Т А Н
Р С К И Й Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т И М Е Н И С. Т О Р А Й ГЫ Р О В А
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Павлодар
^ З т 2"
Министерство образования и науки Республики Казг
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Факультет физики, математики и информационных
технологий
Кафедра «Физика и приборостроение»
Ф и зи к а п о л у п ро во д н и к о в
Учебно-методическое пособие
Павлодар
Кереку
2016
УДК 538.9(075)
ББК 22.379я73
Ф50
Рекомендовано к изданию заседанием кафедры «Физика и
приборостроение» факультета физики, математики и
информационных технологий Павлодарского государственного
университета им. С. Торайгырова
Рецензент:
Л. К. Казангапова - кандидат педагогических наук, доцент;
Ш . Н. Сарымова - кандидат физико-математических наук, доцент
Павлодарского государственного педагогического института.
Составители: Н. Ж. Жуспекова, Ш. С. Зейтова, Б. Ш . Исимова
Ф50 Физика полупроводников : учебно-методическое пособие. /
с о с т .: Н. Ж. Жуспекова, Ш. С. Зейтова, Б. Ш. Исимова. Павлодар : Кереку, 2016. - 80 с.
В учебно-методическом пособии приводятся рекомендации по
выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика», показаны
цели, порядок выполнения работ, а также приведен теоретически
материал и контрольные вопросы. ....— --------— ... ----------------------Учебно-методическое пособие разработано в соответствии со
стандартами технических и естественнонаучных специальностей по
поправлениям подготовки.
УДК 538.9 (075)
ББК 22.379я73
Ку« пскона Н. Ж. и др. 2016.
О 111 У им. С. Торайгырова, 2016
|ц п т пи» |'нп. п. ммIсрмилон, гримматические и орфограф ические ошибки
о ч н о ю вечность несут авторы и составители
Введение
Учебно-методическое пособие предназначено для подготовки к
лабораторным занятиям студентов инженерно-технических, физикоматематических специальностей вузов по разделу курса «Физика
полупроводников» общего курса физики. Физический практикум
помогает студентам глубже и подробнее ознакомиться с физическими
приборами, а также овладеть основными методами точных измерений.
Настоящее пособие включает описание 6 лабораторных работ, каждое
из которых содержит краткое теоретическое введение, схему
лабораторной установки, методику выполнения измерений. После
описания всех работ приводится список необходимой литературы.
Целью данного пособия является изучение и освоение основных
физических явлений и идей, фундаментальных понятий, законов и
теорий современной и классической физики. На лабораторных
занятиях формируются навыки и умение в проведении физического
эксперимента, обработки результатов измерений и их анализа, а также
осуществляется ознакомление с методами физического исследования.
Использование данного пособия позволяет улучшить организацию
лабораторных занятий, улучшить методическое обеспечение, а также
образовательный уровень студентов по дисциплине «Физика».
3
Лабораторная
носителей заряда
эффекта Холла
работа № 71 Определение концентрации
в полупроводниковом материале методом
Цель работы: изучение эффекта Холла как метода исследования
твердых тел, измерение ЭДС Холла, определение постоянной Холла и
концентрации носителей в исследуемом образце.
Оборудование:
исследуемый
образец,
выпрямители,
электромагнит, амперметры, гальванометр, реостаты, потенциаметр.
Теоретическое введение
Физические явления, возникающие при одномерном действии на
вещество
электрического и магнитного
полей,
называются
гальваномагнитными. Гальваномагнитные явления наблюдаются в
электронных
проводниках:
металлах,
полупроводниках,
диэлектриках с электронной проводимостью. В ионных проводниках
! альваномагнитные явления не возникают.
Одно из гальваномагнитных явлений - эффект Холла. Его
сущность заключается в следующем: под влиянием магнитного поля
Н, перпендикулярного к направлению тока I, поперек образца в
направлении перпендикулярному току и магнитному полю возникает
некоторая разность потенциалов - эдс Холла г, (рисунок 71.1)
Известно, что при движении носителей заряда в магнитном поле
на них действует сила Лоренца
Рл = е Щ ,
где е - заряд носителя
положительный для дырок);
(отрицательный
(71.1)
для
электронов,
V - скорость носителя;
В - индукция магнитного поля.
При протекании тока в полупроводнике дырки движутся по
полю, V 14 I ; электроны против поля V Т4 7 ;
Рассмотрим возникновение эдс Холла на примере электронного
полупроводника (основные носители - электроны) - рисунок 71.2.
Рисунок 71.2
При включении магнитного поля под действием силы Лоренца
электроны отклоняются к границе образца, на которой расположен
электрод N. В результате этого отклонения появляется поперечное
электрическое поле Е, образованное электронами на грани N и их
недостатком на грани М. Заряды скапливаются на поверхности
5
образца до тех пор, пока электрическое поле Е, связанное с ними, не
уравновесит силу Лоренца
еVВ-еЕ
(71.2)
Разность потенциалов ех
связана с электрическим полем напряженности Е
ех = Е а ,
(71.3)
а - ширина образца.
Ток через образец / = у'5 = ]ас1, где ^ - плотность тока, 8 поперечное сечение образца, <1- толщина.
А так как плотность тока, выраженная через концентрацию
носителей т) и их скорость V, есть
=
То
V
(71.4)
I = п-е-у-а-с 1 я V = ----- -----п-е-а-д
(71.5)
Подставив значение V в равенство (71.2), получим
е1В
-------=
пеас!
е,
(71.6)
и ЭДС Холла
1В
1
1В
о
1В
^ = — т= — - г = * ,—
пеа пе а
а
(71.7)
Величина Кх в (71.7) носит название постоянной Холла, или
коэффициент Холла / Учет распределения носителей тока по
скоростям и механизма рассеяния носителей приводит к появлению
до(шночного множителя в формуле (71.7) для постоянной Холла
Кх = —
пе
(71.8)
6
Величина г зависит от механизма рассеяния и находиться в
пределах от 1 до 2. Обычно г принимают равной 1.
Таким образом, на основании измерения эффекта Холла можно
определить концентрацию носителей с точностью до множителя
порядка 1-2 .
Знак постоянной Холла совпадает со знаком основных носителей
тока. Если ток переноситься электронами, Кх< 0; если дырками Кх> 0.
Разность постоянной Холла, как видно, есть
(ед.длины)ъ
— ^
гдзаряда
— ———————
м3
1<л
Т .6 . — — .
Если
проводимость
в
полупроводниковом
материале
осуществляется электронами и дырками, величина постоянной Холла
Л, и ее знак определяется соотношением концентрации и
подвижностей носителей обоих типов
к
= 1 . Р ^ . ~ п^
(71.9)
е (р ^ + пц,,)
Рм1 - концентрация и подвижность дырок, п ц \- концентрация и
подвижность электронов.
Подвижность носителей заряда - это скорость их дрейфа в
электрическом поле единичной напряженности.
V = Мэресф = ^
(71-10)
где V - скорость,
Е - напряженность электрического поля.
„
СМ
2
М
2
Единицы подвиж ности:------; ------ .
Вс
В-с
В
собственном
полупроводнике
и = р , а подвижность
электронов, как правило, выше подвижности дырок, поэтому Кх
отрицательна.
Значение Кх для двух типов носителей (71.9) следует из того, что
электроны и дырки отклоняются магнитным полем в одну и ту же
сторону, т.к. они движутся в противоположных направлениях и имеет
7
заряды - е и +е соответственно, и, следовательно, направление силы
Лоренца одинаково.
Величина ц х , равна произведению постоянной Холла на
электропроводность 8 , называется холловской подвижностью
материала.
Мх = К ^ =:~ ' Рдрейф ■е = Шорейф
(71.11)
Холловская подвижность
с точностью до коэффициента г
совпадает с дрейфовой подвижностью носителей заряда
Эффект Холла является одним из важнейших методов
исследования полупроводников и металлов. Его измерения позволяют
получить информацию о концентрации носителей заряда и их типе.
Измерения эффекта Холла в широком температурном интервале в
комплексе с другими исследованиями дают данные о температурной
зависимости концентрации носителей и их подвижности, о строении
энергетических зон, о положении примесных уровней.
В полупроводниках концентрация носителей меньше, чем в
металлах, поэтому постоянная Холла значительно выше. В металлах
она не меняется с температурой, а в полупроводниковых материалах
её величина изменяется и может наблюдаться изменение знака Кх.
Применение эффекта Холла
Эффект Холла нашел применение при создании большого класса
приборов, использующих это явление. Такими приборами являются
измерители постоянных и переменных магнитных полей, измерители
мощности, умножители.
Возможности применения эффекта Холла в этих приборах
определяется следующими основными особенностями явления:
1) линейной зависимостью эдс Холла от индукции магнитного
поля;
2)
мультипликтивностью
эффекта:
Ех
пропорциональна
произведению
ЁХ~1В
Для получения сравнительно высоких значений эдс Холла
необходимо использовать материалы с высокими подвижностями, так
как
Ех ъ 1 ,
а
величина
1 & 8 - Е е,
где
Е„-
напряженность
электрического поля вдоль образца, 8 = п е ц , следовательно, ех & ц .
Поэтому в качестве счетчиков Холла используют Се, 1п8Ъ, 81, 1пАз,
Н§ 8е, Н%Ре, и др. полупроводниковые материалы с подвижностью
тысячи и десятки тысяч см2 / Б- с.
Лабораторная установка и метод измерений
В работе используется метод измерения эдс Холла на постоянном
токе в постоянном магнитном поле. Установка включает в себя
следующие основные элементы (рисунок 71.3):
1) электромагнит У
2)
исследуемый
образец
в
форме
прямоугольного
параллелепипеда с двумя токовыми (1, 2) и двумя холловскими (3, 4)
контактами, закрепленным в держателе, который зажат между
полюсами электромагнита;
3) цепь питания электромагнита: выпрямитель 5 ,, амперметр А,,
реостат К, для измерения силы тока, а, следовательно, и индукции
магнитного поля, переключатель полярности магнитного поля П;
4) токовую цепь образца: выпрямитель В2, реостат К2 для
изменения силы тока, амперметр Л2;
5) милливольтметр т У для измерения эдс с холловских
контактов.
В реостате используется низкоомный образец, сопротивление
которого
на
несколько
порядков
ниже
сопротивления
милливольтметра, холловские электроды омические и контактное
сопротивление их мало, поэтому измерение эдс милливольтметром
дает верный результат.
На контактах 3, 4 кроме эдс Холла возникает эдс
неэквипотенциально сти е нгэка, обусловленная
расположением
контактов на неэвкипотенциальных поверхностях, которая зависит от
направления и силы тока, и, следовательно, не меняет знака при
изменении направления магнитного поля.
Поэтому можно написать следующие соотношения для
измеряемых
эдс на контактах 3, 4
при противоположных
направлениях магнитного поля (при постоянной величине индукции
магнитного поля) и одном и том же токе через образец:
е1~ ех
+ Е неже >
Е2
=
9
~ Ех
+ е неэкв
(71.12)
Эдс е. и е:, одного знака, и так как для используемого образца
К И к и к м !»
е,-е.
(71.13)
Рисунок 71.3
Порядок выполнения работы
1. Включить в сеть выпрямители, питающие электромагнит,
токовую цепь образца и осветитель милливольтметра (одной
штепсельной вилкой).
2. Установить некоторое значение тока
через образец (в
пределах (0,7-1) А) с помощью реостата в токовой цепи. Занести
значение
в таблицу. Последующие экспериментальные данные и
результаты расчетов тоже также заносятся в таблицу 71,1.
3. В цепи электромагнита установить некоторое значение тока 1,„
в пределах (0,7-1,!) А.
4. Измерить по показаниям милливольтметра значение эдс а\.
5. Измерить направление магнитного поля переключателем П .
6. Измерить эдс е2.
7. Дважды изменить 1,„, или 1„, и измерить соответствующие
значения е, и с,.
•
8. Уменьшить 1,„, и 1„ с помощью реостата до минимума и
отключить от сети выпрямители и осветитель милливольтметра.
10
9. По значениям 1Ш с помощью градировочного графика В ( 1,„)
определить соответствующие значения В .
10. Рассчитать эдс Холла для каждого из трех измерений
11. Определить соответствующие значения постоянной Холла
где (1 - толщ ина образца, равная 2,7* 10 ~3м
12. Определить (Кх ) , АКХ и отдельную погрешность е
П
2
А/7
13. Определить концентрацию свободных носителей заряда в
образца
п=
{Кх )*е
где е = 1,6 * 10~'9Кл
Ап = п* е
11
Таблица 71.1
_______ ________________
1ос>
1,„.
в >
«•,.
е2,
ег ,
к х,
(Кг ),
АКх
А
А
Тл
мВ
мВ
мВ
м 3/Л л
м Ъ/К л
м 3/А л
П?
Ггй
м ~3
Гдй"
м '3
Контрольные вопросы
1. Какие явления называются гальваномагнитными?
2. Какова физическая сущность эффекта Холла? Выведите
значение постоянной Холла.
3. Определить знак эдс Холла для электронного и дырочного
полупроводника при различных направлениях I и В.
4. Какого различие в К , проводников с одним двумя типами
носителей заряда?
5. Какова температурная зависимость постоянной Холла для
металлов и полупроводников?
6. Раскажите о применении эффекта Холла.
7. Какова методика измерений эдс Холла в настоящей работе?
12
Лабораторная работа № 72
Изучение температурной
зависимости сопротивления терморезистора и определение
ширины запрещенной зоны материала терморезистора
Цель работы: исследование температурной зависимости
сопротивления полупроводникового материала с использованием
моста постоянного тока, определение ширины запрещенной зоны
полупроводника на основе полученных данных, изучение
характеристик терморезисторов.
Оборудование: терморезистор, мост постоянного тока МО-62,
термометр, нагреватель.
Теоретическое введение
Удельная электропроводимость полупроводников ниже, чем у
металлов
и
составляет
10~8 - 1 0 6См/м
(сименс
на
метр,
т.е.
Ом’ 1 * м '1). Однако самым существенным различием между ними
является наличие сильной зависимости электропроводимости
полупроводников от температуры и от содержания в них примеси.
Характер
температурной
зависимости
электропроводности
полупроводников и металлов также различен. Сопротивление
полупроводников
экспоненциально
падает
с
повышением
температуры К ~ е в/Т (рисунок 72.1), температурный коэффициент
1 9К
сопротивления (ТКС) а =
отрицателен, имеет большие значения
10‘2 - 1 0"1К -1 (несколько
температуры.
процентов
на
К
Рисунок 72.1
13
градус)
и
зависит
от
Высокие значения ТКС полупроводников обусловили их
применение в качестве материала для терморезисторов (ТР) нелинейных полупроводниковых сопротивлений, отличительной
особенностью которых является сильная зависимость величины от
электрического сопротивления от температуры.
Зона - это совокупность близкорасположенных энергетических
уровней, где переходы электрона не сопровождается изменением
энергии.
В кристалле существует три вида зон:
1) валентная зона - зона, которая полностью заполнена
электронами и образованна из энергетических уровней внутренних
электронов свободных атомов;
2) зона проводимости (свободная зона) - зона, которая либо
частично заполнена электронами, либо свободна и образована из
энергетических
уровней
внешних
«коллективизированных»
электронов изолированных атомов;
3) запрещенная зона - зона, в которой электроны не могут
находиться.
По поведению во внешнем электрическом поле вещества делится
на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники - это вещества с металлическим типом связи атомов
в кристаллической решетке. Валентная зона заполнена наполовину,
т.е. перекрывается с зонной проводимости, запрещенная зона
отсутствует.
Диэлектрики - это вещества с ионным типом связи в
кристаллической решетке. Валентная зона отделена от зоны
проводимости широким слоем запретной зоны.
Полупроводники - вещества с ковалентным типом связи в
кристаллической решетке. Валентная зона отделена от зоны
проводимости небольшим слоем запретной зоны. У полупроводников
удельное сопротивление изменяется в широком интервале от
Ю-5до Ю8Ом • м и очень быстро по экспоненциальному закону
уменьшается с повышением температуры:
р = р 0ехр(ДЕ/21й)
(72.1)
Температурная зависимость электропроводности
собственных и примесных полупроводников
Собственная проводимость имеет место в хорошо очищенных
полупроводниках, когда примеси не оказывает влияния на
14
электрические свойства. При абсолютном нуле температуры
валентная зона
полностью заполнена электронами, в зоне
проводимости
всс
уровни
свободны
и электропроводность
отсутствует. При повышении температуры начинается тепловая
генерация свободных носителей заряда. Электроны, получая от
тепловых колебаний решетки энергию достаточную для преодоления
запрещенной зоны шириной Л\№, перебрасываются из валентной
зоны проводимости (рисунок 72.2), образуя в валентной зоне равное
количество дырок. Переходы происходят при любой температуре
Т > 0К.
Тепловая
генерация
носителей
заряда
в
собственном
полупроводнике.
\УС- д н о зоны проводимости; 'Л'у - потолок валентной зоны;
Л'Л'’ - ширина запрещенной зоны; • , о -электрон и дырка
Рисунок 72.2
Объяснение переходов при кТ < АУ/ связано со статическим
распределением энергии между атомами тела (энергия тепловых
колебаний отдельных атомов в течение некоторых промежутков
времени может быть и больше ее среднего значения). Наряду с
возбуждением носителей происходят и обратные процессы их
рекомбинации, заключающиеся в возвращении электронов из зоны
проводимости в валентную зону. При этом исчезают пары «электрондырка».
Процесс
генерации
свободных
носителей
зарядов
уравновешиваются процессом рекомбинации, и при каждой
установившейся температуре кристалл находится в состоянии
15
термодинамического равновесия, имея концентрацию носителей
заряда, соответствующей данной температуре. Статистический расчет
показывает, что концентрация электронов п, следовательно, и
концентрация дырок р, быстро растут с повышением температуры по
экспоненциальному закону
дуу
п = р = А * е~2кТ,
(72.2)
где А - постоянная, характерная для данного полупроводника, в
первом приближении не зависящая от температуры;
е - основание натурального логарифма;
к - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура.
Например, в чистом кремнии, такая зависимость обеспечивает
рост концентрации электронов от 1017 м'3 до 1024 м‘3 при нагреве от
комнатной температуры до температуры электронов 700° С .
В собственном полупроводнике удельная электропроводность:
а = а п + стр = епр„ + ер р р = еп(р„ + р р),
^
^
где е - заряд электрона;
р „ - подвижность электронов;
р р- подвижность электронов.
Подвижность носителей заряда, представляющая собой скорость
дрейфа их в электрическом поле единичной напряженности, в
полупроводниках также зависит от температуры. Наиболее часто в
области низких температур подвижность растет вследствие рассеяния
на примесях, в области высоких температур, где преобладает
рассеяние на тепловых колебаниях решетки — убывает с ростом Т.
Типичный график зависимости р(Т) приведен на рисунке 72.3. Однако
температурная зависимость концентрации носителей заряда в
полупроводниках обычно намного более сильная, чем зависимость,
подвижности от температуры. Поэтому температурной зависимостью
подвижности можно только изменением концентрации носителей
заряда. Из формул (72.1) и (72.2) для зависимости удельной
электропроводности
ст от температуры следует выражение
д\у
а = а 0 * е 2кТ, где сг0- коэффициент, характерный для данного
16
полупроводникового материала и представляющего собой а
при
Т —>00.
1§Ц
Рисунок 72.3
Зависимость а(т) удобно изображать в полулогарифмическом
масштабе. Действительно
1п<т = 1п<тп -
АЖ
(72.4)
2 кТ
это выражение в координатах 1п с и — дает прямую, наклон
которой определяется величиной
Графики
о(т) и 1 п с * ^ ) для
собственного полупроводника даны на рисунок 72.4
Сопротивление К. образца длиной I и площадью поперечного
сечения 8 выражается через удельное сопротивление р :
Тогда, согласно (72.3),
К - К 0 -е т
График
1п/? • — для
и 1пЛ = 1пЛ 0 +
0 2 кТ
собственного
(72.6)
полупроводника
представляет собой прямую линию, наклон которой тем больше, чем
шире запрещенная зона полупроводника. На рисунок 71.5 прямым 1,
2, 3 соответствуют полупроводники, для которых АРГ, < АЖ 2 <
.
3
,2
т
Рисунок 72.5
Примеси и дефекты решетки существенным образом влияют на
электрические свойства полупроводников. Например, добавление в
кремний бора в количестве одного атома на 105 атомов кремния
увеличивает проводимость при комнатной температуре в тысячу раз
по сравнению с чистым кремнием.
Статистические расчеты показали, что концентрация основных
носителей заряда (электронов в полупроводниках п-типа и дырок в
полупроводниках р-типа) в области примесной проводимости также
растет по экспоненциальному закону.
18
АV
п = А \ - е гкт, р = Л2 ■е
МУ
2 кТ
(72.7)
где А Щ - энергия ионизации примеси;
А | и А2- коэффициенты, определяемые соответственно
концентрациями атомов доноров и акцепторов.
Концентрации неосновных носителей заряда намного ниже,
причем при любой температуре.
(72.8)
где и ,- собственная концентрация носителей заряда при этой
температуре в данном полупроводнике. Таким образом, чем больше п,
тем меньше р и наоборот.
Ввиду более слабой зависимости подвижности от температуры,
чем концентрации от температуры, и
в области примесной
проводимости зависимость сг(т) также определяется температурным
ходом концентрации
»
(72.9)
где
сг0пр-
постоянная,
определяемая
полупроводниковым
материалом и концентрацией примеси в нем.
Логарифмируя (72.9), получим
А]У
(72.10)
На рисунке 72.6 приведен график зависимости удельной
электропроводности
примесного полупроводника в широком
диапазоне температур полулогарифмических координатах.
Температурная зависимость электропроводимости примесного
полупроводника.
19
Рисунок 72.6
На этом графике можно выделить три участка. 1 - участок
примесной проводимости, при которой концентрация основных
носителей заряда растет за счет ионизации примесных уровней.
Наклон прямой определяется энергией ионизации примеси. При
температуре Т5 все примеси оказываются ионизированными и далее
до Т, концентрация основных носителей заряда сохраняются
приблизительно постоянной и равной концентрации примесных
атомов - участок 2. Температурная зависимость а в этой области,
когда АIV » кТ > АЩ, определяется температурной зависимостью
подвижности. При температурах Т > Т, (3 участок) генерируется пары
«электрон-дырка» и наклон
прямой определяется шириной
запрещенной зоны АЦГ» А Щ .
Если образцы одного и того же полупроводникового материала
легированы различным количеством одинаковой примеси, то при
увеличении концентрации примеси
(концентрация растет с
увеличением порядкового номера кривой на рисунок 72.7) значения сг
в области примесной проводимости возрастают, истощение примеси
и перехода от примесной к собственной проводимости смещаются в
сторону более высоких температур. При больших концентрациях
примесных атомов они остаются не полностью ионизированы вплоть
до температуры, при которой начинает преобладать собственная
проводимость (кривая 72.4).
20
Зависимость электропроводности полупроводников от
температуры при различных содержаниях примеси.
Параметры и характеристики терморезисторов
Применение
Современные терморезисторы изготавливаются из многих
полупроводниковых
материалов. Для этой цели применяются
германий Се, кремний
81, карбид кремния 81С и др. Однако
подавляющее большинство промышленных типов ТР созданы на
основе окислов переходных материалов (Мп, Со, N 1, Си, V и др.).
Изготавливаются ТР, как правило, спеканием порошковых материалов
в форме бусинок, стержней, дисков.
К основным параметрам ТР с отрицательным ТКС относятся:
1) габаритные размеры;
2) величина сопротивления К. при определенной температуре I
(20° или 150° для высокотемпературных ТР);
3) ТКС в % на 1°С при температуре I;
4)
постоянная
времени,
характеризующая
тепловую
инерционность ТР (время, за которое температура ТР изменится на
63% от разности температур образца и среды);
5) максимально допустимая температура;
6) максимально допустимая мощность рассеяния;
7) коэффициент энергетической чувствительности в ВТ/%К,
равный мощности, которую нужно рассеять на ТР для уменьшения его
сопротивления на 1%.
Одним из важнейших характеристик ТР являются статические
вольт-амперные характеристики. На рисунке 72.8
представлена
типичная ВАХ ТР с отрицательным ТКС. На начальном участке
характеристика близка к линейной, так как при малых токах мощность
21
рассеяния мала для того, чтобы нагреть ТР. Дифференциальное
сопротивление — у О. При дальнейшем повышении силы тока ТР
(II
нагревается, его сопротивление уменьшается. При некотором
значении 1т напряжение становится максимальным 11т , а затем из-за
сильного уменьшения сопртивления И падает и величина
(И
становится отрицательной.
Рисунок 72.8
Терморезисторы широко применяются в технике. Н а основе ТР
разработаны системы измерения и регулирования температуры,
противопожарной сигнализации и теплового контроля, созданы схемы
температурной компенсации ряда элементов электрических цепей,
изменения вакуума, скорости движения жидкостей и газов. ТР
используются в качестве бесконтактных переменных сопротивлений,
ограничителей и предохранителей в цепях электрического тока,
стабилизаторов напряжения, генераторов и др. ТР, называемые
боломерами, широко применяются для регистрации инфракрасного
излучения. Пружина ВАХ уменьшается.
Рабочая формула
ДЕ =
2-10 #А 1п.К
Аг
где
АЕ - ширина запрещенной зоны;
К = 1,38 10'23Дж/К=0,86 10'4 эВ/К
22
(72.11)
л1пК и л| — ^ взять из графика (рисунок 72.2).
Описание установки и методы измерении
Терморезистор помещен в сосуд с холодной водой. Нагрев воды
осуществляется электрическим нагревателем. Температура измеряется
термометром. В работе предусматривается проведение измерений в
интервале температур от комнатной до - 100 "С.
Сопротивление ГР определяется с помощью измерительного
моста постоянного тока МО-62. Принципиальная схема моста
приведена на рисунке 72.9
мост"I
Кср представляет
пятидекад-иый
собой
маккии
сопротивлений, используемый в
качестве плеча сравнения. Кг и
К) -
плечи отношения
соотношение которых
моста,
может
меняться
е
переключателя.
Тсрморсзнстор
помощью
|
подключается к зажимам Ш и
1------------------------------
П2
Р и с у н о к 7 2 .9
При равновесии
моста
устанавливается на нуль.
(К*).
достигается
стрелка
Равновесие
при
моста
равенстве
нуль-гальванометра
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с установкой.
2. Налить в сосуд холодной воды. Измерить ее температуру и
занести в таблицу 72.1.
23
РС
Габлица 72.1
№
1°,С
1
2
Т .К
10''/Т, К’1
И,Ом
1п К
А И\
3
4
5
3. Подключить ТР к зажимом Г11 и П2 (Кх) моста. Расположение
зажимов и переключателей управления моста показано на рисунок
72.10.
4. Измерить сопротивление К терморезистора.
5. Подготовить мост к работе: переключатель питания «ПП»
должен быть в положении «36У»; переключатель схемы «Г!С» в
положении «2з» (двухзажимная); переключатель гальванометра В7 в
положении ГВ (гальванометр встроенный); подключить прибор с
помощью сетевого шнура к сети «220В, включить мост
переключателем «СЕТЬ» (в положение« ВКЛ»), при этом должна
загореться сигнальная лампочка.
6. На переключателе плеч отношения установить множитель
N = 1000.
7. При нажатой кнопке «ГРУБО» вращением ручек декадных
переключателей сопротивления плеча сравнения «хЮОП», «хЮФ»,
«х1Ш , «хО, 1П», «х0,0Ш » установить стрелку гальванометра на нуль;
затем это сделать при нажатой кнопке «ТОЧНО».
8. Отпустить кнопки «ТОЧНО» и «ГРУБО».
9. Определить по показаниям переключателей величину К ,
например:
Кс/= 1x100+2x10+5x1+0x0,1+2x0,01 = 125,02 (Ом)
(72.12)
и вычислить величину измеренного сопротивления
- К с = Я с/:
(72.13)
Значение Я занести в таблицу 72.1.
10. Подключить нагреватель к сети ~ 220 В. Подогреть воду на 7
- 12°. Отключить нагреватель от сети. Выждать 12 минуты, измерить
температуру и сопротивление, их значения занести в таблицу 72.1.
24
11. Продолжать аналогичные измерения до 90 - 100° С. Можно
в процессе измерений не отпускать кнопки «ГРУБО», а затем
«ТОЧНО». Снять показания и занести в таблицу.
12. Обработать результаты измерений, заполнить таблицу 72.1.
13. Построить график в координатах 1пК=?
14. Из графика (рисунок 72.11) определить ширину запрещенной
зоны материала терморезистора на основе зависимости
(72.14)
Л„ , 2 -1 0 3* -Д 1п Я
Д IV --------- -------------
отсюда
где
&= 1.38 ■\0~23 Д ж / К = 0,86-10~4эВ / К
▲1п К
10
Г,
1а
т,
10]
Т
Рисунок 72.10
Меры безопасности
Измерительный мост должен быть заземлен.
25
(72.15)
(72.16)
Соблюдать осторожность при работе с нагревателем. Подключать
его к сети только при наполнении сосуда водой и установки крышки с
закрепленными в ней терморезистором, проводом резистивного
нагревателя и термометром.
Запрещается оставлять без наблюдателя приборы, находящиеся
под напряжением.
После окончания работы отключить от сети мост и нагреватель.
Контрольные вопросы
1. Каково отличие между металлами и полупроводниками с точки
зрения их электрических свойств?
2. Что такое температурный коэффициент сопротивления и каков
он у полупроводников?
3.
Что такое терморезксторы и почему полупроводники
используют в качестве материала для терморезисторов? Из каких
конкретно полупроводниковых материалов изготовляют ТР?
4. Объясните зонные диаграммы собственного и примесных (птипа и р-типа) полупроводников. Какова природа их проводимости.
5.
Выведите
формулу,
выражающую
удельную
электропроводность через концентрацию и подвижность носителей
заряда.
6. Что собой представляет подвижность носителей заряда?
7. Объясните температурную зависимость концентрации
носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках.
8. Как подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит
от температуры?
9. Объясните температурный ход электропроводности и
сопротивления собственных и примесных полупроводников.
10. Назовите основные параметры терморезисторов?
11. Каков вид вольтамперной характеристики терморезистора?
Объясните зависимость II (I).
12. Какова методика измерений сопротивлений в настоящей
работе? Объясните принцип измерений с помощью моста постоянного
тока.
13. Как определяется ширина запрещенной зоны материала ТР?
Выведите соответствующую формулу.
26
Лабораторная
фотосопротивлений
работа
№
73
Изучение
свойств
Цель работы: снятие вольт-амперных характеристик
построение световых характеристик фоторезистора.
и
Теоретическое введение
Внутренний
фотоэффект.
При
облучении
светом
полупроводников и диэлектриков наблюдается уменьшение их
электрического сопротивления, вызванное освобождением электронов
внутри слоя вещества, в котором поглощается излучение.
Возникающая при этом дополнительная электропроводность носит
название фотопроводимость, а процесс генерации свободных
носителей заряда под действием света называется внутренним
фотоэффектом. Рассмотрим механизм этого явления на примере
собственного полупроводника (рисунок
73.1). Освобождение
электронов означает их переход из валентной зоны в зону
проводимости; такой переход под действием света возможен, если
энергия световых квантов \У=1ш превышает ширину запрещенной
зоны (однако эта энергия не должна превосходить интервала между
верхним краем зоны проводимости и нижним краем валентной зоны).
1
Рисунок 73.1
Одновременно с переходом электрона из заполненной зоны в
свободную возникает одна дырка в валентной зоне. Следовательно,
один поглощенный фотон с энергией Ьи > Д\У освобождает пару
электронов-дырка; количество освобожденных пар равно числу
поглощенных фотонов. Однако было бы неверным считать, что
возникшие под действием излучения пары и обуславливают
фотопроводимость. Опытным путем установлено, что у большинства
собственных полупроводников
фотоносителями
являются
не
электроны и дырки одновременно, а те носители заряда, у которых в
данных условиях больше время жизни, т.е. время, в течение которого
они находятся в свободном состоянии. В одних случаях этоэлектроны, а в других- дырки. Освобожденные светом носители
заряда называют неравновесными (по сравнению с затемненным
полупроводником, у которого при некоторой постоянной температуре
определенному числу электронов в свободной зоне соответствует
точно такое же число дырок в заполненной зоне). Итак,
освобожденные светом неравновесные носители заряда в течение
очень короткого времени (порядка 10"' - 1 0 '3 секунд) находятся в
свободном состоянии. В этот момент они блуждают в межатомных
28
промежутках и, при наличии разности потенциалов между двумя
точками полупроводника, перемещаются преимущественно в одном
направлении, образуя электрический ток. Затем фотоносители или
рекомбинируют, или примыкают к каким-либо атомам, потерявшим
свои
электроны.
Однако
при
непрерывном
освещении
полупроводника появляются все новые и новые фотоносители, но в то
же время какое-то число
их возвращается назад. В результате
устанавливается динамическое равновесие, характерное тем, что
число возникающих фотоносителей становится равным числу
фотоносителей, возвращающихся обратно. Несмотря, на которое
время
жизни
носители
обеспечивают
возникновении
фотопроводимости в веществе, следовательно, они ведут себя таким
же образом, как и обычные свободные носители, возникающие в
полупроводнике за счет теплового механизма возбуждения.
Рассмотренный нами пример относится к случаю собственной
фотопроводимости. У примесных полупроводников существует еще
фотопроводимость,
обусловленная
возбуждением
примесных
носителей заряда (рисунок 73.2).
а)
б)
Рисунок 73.2
Примесный фотоэффект возможен, очевидно лишь в том случае,
если примесный уровень \Упр заполнен электронам, т.е. если
полупроводник находится при температуре ниже температуры
истощения
примеси.
Поэтому
для
наблюдения
примесной
29
фотопроводимости полупроводники необходимо охлаждать до низких
температур.
Максимальную длину волны света Хс, ( или минимальную частоту
г>о
при
которой
в
данном
полупроводнике
возникает
фотопроводимость) называют красной границей фотоэффекта. Для
собственных полупроводников:
Я
(73Л >
где с - скорость света;
Ь - постоянная Планка;
- ширина запрещенной зоны (Д\У).
Эффективность внутреннего фотоэффекта характеризуется
величиной квантового выхода, который определяется как отношение
числа фотонов па к общему числу поглощенных веществом фотонов
Акк •
Если
бы
каждый
фотон
вызывал
появление
одного
фотоэлектрона, величина квантового выхода была бы а = 1. Однако
для большинства полупроводниковых материалов а < 1. Это
объясняется тем, что только часть лучистого потока оказывается
фотоактивной, т.е. способной генерировать фотоносители. В то время
как остальная часть рассеивает свою энергию в кристаллической
решетке, повышая интенсивность теплового движения составляющих
ее частиц, либо поглощается свободными носителями.
Фотосопротивления и их характеристики
Фотосопротивление или фоторезистор - это полупроводниковый
прибор, уменьшающий свое электрическое сопротивление под
действием лучистого потока. Он изготавливается следующим
образом. Н а изолирующую подложку наносится тонкий слой
30
полупроводника, обычно методом испарения в вакууме. Затем по
краям этого слоя также испарением в вакууме наносятся
металлические электроды. Пластинка помещается в эбонитовую или
пластмассовую оправку с окошком. Электроды соединяются с двумя
выводными клеммами, с помощью которых фотосопротивление
включается в цепь последовательно с источником напряжения
(рисунок 73.3).
Для предохранения от влияния воздуха
фоточувствительная поверхность покрывается тонкой пленкой лака
такого сорта, чтобы лаковая пленка обладала прозрачностью в той
области спектра, которую «чувствует» данное фотосопротивление.
Другой распространенный способ создания фоточувствительного
слоя состоит в том, что полупроводниковое вещество измельчается в
мелкий порошок, из которого выпрессовывается тонкие таблетки,
которые подвергаются спеканию. Затем на них наносят токовые
электроды и помещают в пластмассовую оправку с окошком. Иногда
фотосопротивления
изготавливаются
из
монокристалла
фотоактивного полупроводникового вещества.
3
]///'1\ * МП/
1 - изолирующая подложка;
2 - п/п слой;
3 -металлические электроды.
1
!
! 1~ ч — 9-3—
Рисунок 73.3
Когда фотосопротивление, включенное в цепь с источником
напряжения затемнено, то в цепи, а следовательно, и в
фотосопротивлении течет ток / 0, определяемый электрическим
сопротивлением фоторезистора и приложенной к нему разностью
потенциалов. Этот ток называют темновым. При падении на
поверхность фотосопротивления лучистого потока интенсивностью Ф
ток возрастает, достигая значения /(эт о возрастание идет не по
31
линейному, а по более сложному закону). Разность между световым и
темновым током и дает значение фототока:
/* = /-/о
т.е. тока, который образуется из освобожденных излучением
носителей заряда. Величина
1ф, измеренная при определенных
условиях, является важной характеристикой фотосопротивления.
Каждое сопротивление характеризуется рядом параметров,
определяющих не только его свойства, но и пределы применимости.
Важнейшими характеристиками фотосопротивлений являются:
1) вольтамперная характеристика, выражающая зависимость
фототока от напряжения при постоянном световом потоке
1ф = Л Ю ПРИ Ф-С0П31.
У большинства фотосопротивлений эта зависимость линейна и
проходит через начало координат;
2) световая характеристика, выражает зависимость фототока от
величины светового потока при постоянном напряжении
1 ф = / ( ф) при II = сот(
- эта характеристика, как правило, нелинейная;
3) удельная интегральная чувствительность - отношение
фототока к величине светового потока при величине внешнего
напряжения, приложенного к фотосопротивлению, равной 1В:
К0= I / Ф и
(мкА/лмВ);
4) спектральная чувствительность - характеризует величину
фототока от действия единицы лучистого потока определенной длины
волны. Эта характеристика отражает тот факт, что фотосопротивление
не в одинаковой мере чувствует излучение различных длин волн,
рисунок 73.4 иллюстрирует это явление. Н а этом же рисунке
показывается зависимость фоточувствительности от длины волны
(вообще говоря, максимум фоточувствительности приходится на край
поглощения).
На
рисунке
73.5
показаны
спектральные
характеристики для различных фотосопротивлений
32
Рисунок 73.4
Рисунок 73.5
ч
5) постоянная времени - время, в течении которого фототок
после прекращения освещения уменьшается в е раз. Эта
характеристика
позволяет
оценить
степень
инерционности
фотосопротивления, т.к. после прекращения освещения избыточные
носители не мгновенно, а в течении некоторого времени
рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установиться
концентрация свободных носителей заряда, характерная для
неосвещенного полупроводника (темновая концентрация );
6) частотная характеристика - также отражает инерционные
свойства фотосопротивлений. Фотоэлектрическая инерционность
приводит к тому, что когда на поверхность полупроводника падает
переменный световой поток (модулированный свет), то сила фототока
зависит от частоты модуляции;
7) пороговая чувствительность - минимальная величина
светового потока, способного вызвать электрический сигнал, в 2-3
раза превышающий напряжение шума прибора;
8) темповое сопротивление - сопротивление неосвещенного
образца;
9 ) номинальное напряжение - напряжение, при котором,
рекомендуется использовать данное фотосопротивлсиие.
В качестве материала для изготовления фотосопротивлепий
используется не любые полупроводниковые вещества, а только тс из
33
них, в которых фотопроводимость реально ощутима. К таким
веществам относятся 5е, Те, 5, РЬ8, В/,5,, Сс15, РЬТа, РЬ5е, Сс/5 и др.
Фотосопротивления нашли широкое практическое применение в
различных схемах измерения, автоматически и контроля.
По сравнению с вакуумными фотоэлементами с внешним
фотоэффектом
фотосопротивления
имеют
ряд
преимуществ:
значительно большую интегральную чувствительность, хорошие
спектральные характеристики, высокую стабильность свойств,
больаюй срок службы, малые габариты, простоту технологий
изготовления. К недостаткам фотосопротивлеиий относятся их
инерционность, отсутствие прямой пропорциональности между силой
фототока и интенсивностью освещения, температурная значимость.
И зм ерения и обработка результатов
Установка, схема которой приведена на рисунок 73.6, позволяет
снять вольгамперную и световую характеристику фотосопротивления.
Ток фотосопротивления определяется как разность токов освещения
сопротивления и при отсутствии его, т.е.
Поскольку величина темнового тока очень мала по сравнению с
величиной / световой и не фиксируется используемыми в данной
работе приборами, можно полагать /,)МШ(ШоЛ = 0 . Тогда фототок
совпадает с измеренными значениями светового тока.
Регулировка напряжения на ФС осуществляется с пймощыо
реостата к , включенного как потенциометр. Освещение ФС
34
производиться лампой накаливания, которую приближенно можно
рассматривать как точечный источник света. Регулирование светового
потока осуществляется изменением расстояния между лампой и ФС.
Световой поток находиться по формуле
;*с
Ф=^ г ,
где (р - световой поток в люменах (лм);
сила света лампы в кангделах (кд);
г - расстояние между лампой и ФС (м);
8-
(73.2)
площ адь Ф С ( м 2).
Порядок выполнения работы
1. Включить выпрямитель в цепь и замкнуть ключ Кх.
2. Включить освещение, замкнуть цепь лампочки ключом К2.
3. Снять семейство вольтамперных характеристик ФС при трех
разных световых потоках: Ф, = соте, Ф, = сотI, Ф3 = сопи, задавая при
снятии каждой характеристики не менее 6-7 напряжений 11.
4. Снять семейство световых характеристик при трех разных
значениях напряжений:
При снятии каждой световой
характеристики следить за поддержанием постоянства напряжения,
задавать не менее 6-7 значений светового потока (расстояний ).
5. Данные пункта 3 занести в таблицу 73.1, данные пункта 4
занести в таблицу 73.2.
6. График строить на миллиметровой бумаге.
Таблица 73.1
1
____
Г1=
У ,, В
Ф .=
/,,
2
3
Г2 =
''з =
Ф2=
мкА
и г,
в
/ 2,
мк А
У3, В
Ф3=
/ 3,
35
мкА
Таблица 73.2
1
г„м
Ц -
Ф,, Лм
/ ,, мкА
2
г2, м
Ф2, Лм
12, мкА
3
г3,м
Ф3, Лм
/ 3, мкА
--Определить
Ка =
удельную
интегральную
чувствительность
ФС
при нескольких значениях II и Ф, заметно отличаются друг
от друга. Удельная чувствительность называется таковой, потому что
измеряется она при освещении ФС светового спектрального состава.
Удельная интегральная чувствительность зависит от освещенности и
температуры. В табличных данных приводиться значение К 0при
освещении источником света с температурой 2840 К. Размерность
„
мк- А
удельной интегральной чувствительности: ^
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта?
2. Какова природа проводимости фотосопротивлений?
3. Как устроены фотосопротивления?
4.
Какие
материалы
используются
для
изготовления
фотосопротивлений?
5. От чего зависит величина фототока?
6 . Характеристики и параметры фотосопротивлений?
7. Объясните ход полученных в работе зависимостей?
36
Лабораторная работа
полупроводникового диода
№
74
Исследование
свойств
Ц ель работы: снятие статических вольтамперных характеристик
полупроводникового диода.
Теоретическое введение
Понятие
об
электронно-дырочном
переходе
и
полупроводниковом диоде.
Полупроводниковые приборы в настоящее время широко
применяются практически во всех отраслях науки и техники.
Особенно большие возможности использования полупроводниковых
материалов для приборов связаны со свойствами неоднородных
полупроводниковых структур. Примером наиболее сильной из всех
встречающихся неоднородностей является полупроводник, в котором
концентрации примесей (доноров и акцепторов) меняются так, что в
каком - то месте образца происходит смена типа проводимости с
электронной на дырочную.
Область объемных зарядов, возникающая между двумя частями
проводника с проводимостями р- и п-типа называется электронно дырочным переходом или р- п - переходом. Подчеркнем ,что р - п
переход получают в едином кристалле полупроводника ; обычно р- и
п -области представляют один и тот же полупроводник ( германий Ое
или кремний 81, или другие). В последние годы развита технология и
созданы приборы на основе гетеропереходов (в одном кристалле робласть - один материал, п -область другой; например, Ое -О аА з,
ОаАз -О аР.
Прибор состоящий из р- п - перехода и двух омических
контактов для включения во внешнюю цепь, представляет собой
полупроводниковый
диод (рисунок 74.1). По своему назначению
полупроводниковые
диды
делятся
на
следующие
группы:
выпрямительные,
высокочастотные,
стабилитроны,
варикапы,
туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.
Структура полупроводникового
диода
и
его
условное
графическое обозначение в схемах
37
Металлические
Рисунок 74.1
Электронно-дырочный переход в равновесии
•
Напомним, что в полупроводниках тип проводимости
и
концентрация свободных носителей заряда определяются примесями.
Электронная проводимость (п-типа) возникает при добавлении в
решетку основного материала донорных примесей (например, в
четырехвалентные Ое или 81 пятивалентного фосфора Р, мышьяка Аз
или сурьмы). Основными носителями заряда в этом случае являются
электроны с концентрацией п, образующихся в основном благодаря
донорной примеси, неосновными - дырки с концентрацией р, которые
образуются за счет собственных атомов кристалла; п » р . Дырочная
проводимость (р-тип) создается присутствием в решетке атомов
акцепторной примеси (в Ое или
8х это трехвалентный бор В,
алюминии А1 или индии 1п). Основные носители заряда в
полупроводнике р-типа - дырки, неосновные - электроны, р » п . На
рисунке 74.2 показаны зонные диаграммы (расположения значений
энергии зон и уровней) примесных полупроводников. Зонные
диаграммы примесных полупроводников
38
., п-тип
Р-тип
С
ЪГС
\М/0
Д\\
АЩ
_______ \УР
------------
тттпттттпг'
итттлттттг^
\Ус - дно зоны проводимости;
- потолок валентной зоны;
—
донорный уровень; \У < - акцепторный уровень; Ш, - энергия
ионизации примеси; ^ г, - уровень Фекрми; д IV - ширина
запрещенной зоны
ч
Рисунок 74.2
Уровень Ферми - статистический параметр. В полупроводниках
он определяется условием распределения электронов по всем
возможным энергиям в валентной зоне, зоне проводимости и на
примесных уровнях. В полупроводниках п - типа уровень Ферми V*/ г
лежит выше середины запрещенной зоны (при ОК посередине между
в полупроводниках р - типа уровень Ферми находится ниже
середины запрещенной зоны (при О К посередине между \У у и
). В
собственных полупроводниках ^ п р о х о д и т через середину
запрещенной зоны. В состоянии термодинамического равновесия
уровень Ферми одинаков для всех областей полупроводника.
Условна
представим,
что
в
какой-то
момент создан
электрический контакт между областями полупроводника с
различным типом проводимости. Свободные носители заряда
получают возможность переходить из одной области в другую,
образуется единая система, и уровень Ферми устанавливается на
одной высоте для областей р-и п - типа. Это проводит к тому, что
энергетические зоны в р - т п - областях смешаются друг друга, в
области контакта наблюдается изгиб зон и возникает потенциальный
барьер е<р„, где е- величина заряда электрона, <рк- контактная разность
потенциалов (рисунок 74.3).
39
I
<
\
^777777777777777
7Т77777777777Г7
Рисунок 74.3
Рассмотрим процессы, которые приведут к образованию
потенциального барьера. На контакте возникают диффузионные
потоки свободных носителей заряда. Электроны переходят из побласти (где их много) в р-область (где их мало); дырки, наоборот, из
р-области в п-область. Электроны, попавшие в р - область,
рекомбинируют там с дырками ( взаимно уничтожаются, что означает
заполнение незамкнутой валентной связи). Рекомбинация происходит
в тонком слое кристалла вблизи границы между р- и п-областями. В
результате отрицательный заряд ионов акцепторной примеси в этом
слое уже не компенсируется положительным зарядом дырок, и слои
заряжается отрицательно, возникает отрицательный объемный заряд
ионов акцептора (рисунок 74.4). Аналогично дырки переходят в побласть и рекомбинируют с электронами. В тонком слое со стороны
п-области положительные заряды ионов донора не компенсируются
зарядом электронов, образуется объемный положительный заряд. В
области контакта (р-п -перехода) объемные заряды ионов акцептора и
донора создают двойной электрический слой и, следовательно,
внутреннее электрическое поле, напряженность которого Ёщяр
направлена от п- области (+) к р-области (-). Концентрация свободных
носителей заряда в области объемного заряда вследствие
рекомбинация мала, потому эту область называю обедненным или
истощенным слоем, и этот слои обладает очень высоким
сопротивлением.
40
Распределение зарядов в р-п -переходе
р -п -п е р е х о д
+ 0+ ©
©
©
© ©
-» -е+ © © е
ч - е -н© е ©
р -о б л а с т ь
© ©
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф ф
ф
ф
-- ф
-- ф
-- ф
-
—
—
—
п -о б л а с т ь
Рисунок 74.4
© - ионы акцепторов; Ф - ионы доноров; (+) - дырки; (-) электроны. Ионы основного материала и не основные носители
заряда, ввиду их малого количества схематические не изображены.
Внутреннее электрическое поле препятствует дальнейшему
переходу основных носителей заряда через контакт: электронов из пв р-область и дырок из р- в п-область. Переходят только те свободные
носители, энергия которых превышает высоту
потенциального
барьера. Эти переходы образуют диффузионный ток 1§.
Одновременно через р-п-переход движутся не основные носители
заряда; электроны из р- в п- область и дырки п- в
р-область. Этим
переходам
внутреннее электрическое поле не препятствует, а
наоборот, помогает. Поэтому все электроны, образовавшиеся в
результате тепловой генерации и оказавшиеся в области
отрицательного объемного заряда (в р-п-переходе со стороны робласти), перейдут в п-область и, наоборот, дырки из положительного
заряженного объема п-области перейдут в р-область. Эти потоки
неосновных носителей образуют дрейфовый ток 1о- В равновесии 18 и
1о равны
по
величине
и
направлены
противоположно,
результирующий ток через р- п-переход равен нулю:
I = 18 + 1о —О
41
Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом
поле
Внешнее электрическое поле, приложенное к р-п-переходу,
нарушает равновесие в системе и вызывает протекание тока. При этом
величина потенциального барьера должна меняться, причем, так как
внешнее напряжение почти полностью падает на переходе вследствие
его большого сопротивления, изменение высоты потенциального
барьера должно быть равно величине приложенного напряжения. В
неравновесном состоянии уровень Ферми заменяться на квазиуровни
Ферми, которые уже не будут совпадать в различных частях
полупроводника (р- и п-областях). Рассмотрим два случая:
Прямоевключение. При приложении внешнего напряжения И
плюсом к р-области и минусом к п-области (рисунок 74.5 а) внешнее
поле направлено противоположно внутреннему контактному полю рп-перехода. В результате напряженность электрического поля на р-ппереходе уменьшатся, высота потенциального барьера понижается и
становится равной; соответственно уменьшится толщина слоя
объемных зарядов (запирающего слоя). Зонная диаграмма р-пперехода в этом случае показана на рисунке 74.5 б. Смещение зон робласти и п-области уменьшилось по сравнению с равновесным
состоянием.
Снижение потенциального барьера приведет к тому, что число
электронов в п-области, энергия которых будет достаточно для
перехода в р-область, увеличится. Точно также уменьшение
потенциального барьера для дырок приведет к увеличению числа
дырок, переходящих из р-области в п-область.
Электрическое поле на р-п-переходе и энергетическая диаграмма
р-п-перехода при приложении прямого напряжения
42
Р-область
п-область
ЕПк-
+ © + © © © - © ч_
+ © + © © © - © \У ~
+ 0 + 0 © © - © ~
ЕОК'
ЛУу
б)
Рисунок 74.5
Таким образом, вблизи границы возрастет концентрация
неосновных носителей заряда: электронов в р-области и дырок в 11области. Это явление введения неосновных носителей заряда,
происходящее при приложении внешнего напряжения плюсом к робласти и минусом к п-области, называется инжекцией неосновных
носителей заряда. Диффузионный ток дырок из р- в п- область и
электронов из п- в р- область превышает дрейфовый ток неосновных
носителей заряда. В результате через р- п-переход течет ток,
направленный от р- к п- области. Рассматриваемое включение р- пперехода называется прямым или пропускным, а текущий ток прямым током. С увеличением напряжения на р-п - переходе
концентрация инжектируемых носителей заряда резко возрастает, что
приводит к сильному росту тока через контакт в прямом направлении.
Обратное включение. При приложении внешнего напряжения И
плюсом к п-области и минусом к р-области (рисунок 74.6 а)
потенциальный барьер для основных носителей заряда еще более
повысится (энергетические зоны р- и п- областей еще более сместятся
относительно друг друга - рисунок 74.6 б), станет равным
е<р = е<рк + е П , увеличится и толщина запирающего слоя.
Электрическое поле на р-п-переходе и энергетическая диаграмма
р-п-перехода при приложении обратного напряжения
43
Р-область
п-область
ЕПк+е!)
© + © + 0 © ~© ~©
Щ_ _
© + © + © © -© -©
\уа— —
^
© -Ю
Е0
+ © © -© -©
б)
Рисунок 74.6
Этот способ включения р - п-перехода называется обратным или
запорным. Чем сильнее смещен переход в обратном направлении (чем
больше II), тем меньшее количество основных носителей заряда
способно преодолеть возросший потенциальный барьер. Таким
образом, при обратном включении внешнего напряжения ток
основных носителей заряда 18 будет меньше, чем при равновесном
состоянии, а ток неосновных носителей заряда 10 практически не
изменяется. Поэтому суммарный ток через р- п-переход будет
направлен от п-области к р-области и с увеличением обратного
напряжения в начале будет незначительно расти, а затем, почти не
меняясь, стремиться к величине 10, так как диффузионный ток
стремится к нулю.
Вольт-амперная характеристика р-п - перехода
Зависимость силы тока через р- п-переход от приложенного к
нему напряжения называется его вольт - амперной характеристикой
(ВАХ). Вольт-амперная характеристика р-п — перехода является
нелинейной и теоретически определяется формулой
где I — сила тока;
10
- сила тока неосновных носителей заряда, постоянная по
величине;
44
I - основание натурального логарифма;
^ - заряд электрона;
и - напряжение (положительное при прямом включении,
отрицательное - при обратном);
к - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура.
Величина 10 зависит от материала, в котором создан р - п переход, площади р - п - перехода, температуры.
ВАХ реальных диодов несколько отличаются от теоретической
зависимости вследствие того, что объем полупроводника и контакты
диода обладают сопротивлением, и ряда других причин. В области
высоких обратных напряжений “Ипроб происходит пробой р - п перехода. Теоретическая ВАХ (пунктир) и реальная ВАХ (сплошная
линия) полупроводникового диода показаны на рисунке 74.7.
Вольт амперные характеристики р-п - перехода
45
Применение и параметры полупроводниковых диодов
П олупроводниковы е диоды изготовляю тся из германия, кремния,
селена, закиси
меди, арсенида галлия и други х металлов.
П рименяются они в самы х разнообразны х целях: для преобразования
переменного тока в постоянный (рисунок 74.8), для переклю чения,
для детектирования сигналов, для стабилизации напряж ения, в
качестве элем ентов с электрически управляем ой ем костью , для
генерации СВЧ колебаний и т.д.
В ы прямление перем енного тока
Рисунок 74.8
а - зависим ость переменного напряж ения от времени;
б
- зави си м ость тока, прош едш его через полупроводниковы й
диод, от времени.
П риведем параметры вы прям ительны х диодов:
1) постоянный обратны й ток ди од а (при заданном обратном
напряжении);
2) постоянное обратное напряж ение;
3) постоянный прямой ток;
4) постоянное прямое напряж ение;
5) диапазон частот, в котором работает диод;
6) емкость;
7) обратное м аксим ально допустим ое напряж ение;
8) м аксим ально допустим ая м ощ ность, рассеиваем ая диодом;
9) среднее за период значение обратного напряж ения;
10) среднее за период значение обратного тока;
11) м аксим альное значение вы прям ленного тока;
46
12)
среднее за период значение прямого напряжения (при
заданном среднем значении прямого тока).
Лабораторная установка и метод измерений
О сновной характеристикой диода является вольт характеристика.
различать
В
зависим ости
статические,
от
способа
динам ические
и
амперная
получения
принято
классификационны е
характеристики.
Н аиболее
полно
вы прямительны е
свойства
диода
отраж ает
динамическая ВАХ, даю щ ая зависим ость 1(1/) при приложении к
диоду перем енного напряж ения заданной частоты. На практике часто
пользую тся классиф икационны м и ВАХ, сним аемы ми при раздельном
положении к диоду перем енного напряжения в прямом и обратном
направлениях.
ВА Х ,
снятая
на
постоянном
токе,
называется
статической.
В настоящ ей работе сним ается статическая ВАХ плоскостного
диода. С хем а прим еняемой установки показана на рисунке 74.9. На
схеме переход от прямого вклю чения к обратному осущ ествляется
переклю чателем ЗА 2 (полож ения «пр» и «об»).
Схема лабораторной установки
О тдельно схемы с соответствую щ им включением измерительных
приборов в прямом и обратном направлениях показаны на (эисупке
74.10 а, б. Н еобходим о обратить внимание на различное вклю чение
приборов в обоих случаях.
Схемы измерений при прямом (а) и обратном (б) вклю чениях
а)
б)
Рисунок 74.10
В случае пропускного направления ам перм етр РА изм еряет ток
через диод У Э и вольтм етр РУ, но так как внутреннее сопротивление
вольтметра значительно больш е сопротивления диода, вклю ченного в
пропускном направление, ош ибка в изм ерение тока через диод
незначительна. При обратном вклю чение внутреннее сопротивление
миллиам перм етра
Р т А , изм еряю щ его ток, значи тельн о .меньше
сопротивления диода, и ош ибка в измерении напряж ения такж е
незначительна. А мперметр РА в этом случае как изм ерительны й
прибор не используется, так как он дает сум м арны й ток через ди од и
вольтметр.
Порядок выполнения работы
1. О знаком иться со схемой установки. У достовериться, что
потенциометр КР стоит в полож ение, соответствую щ ем м инимуму
напряжения (выведен в крайнее левое полож ение) и изм ерительны е
приборы (РА , Р т А и РУ ) переклю чены на самую грубую шкалу.
2. Вклю чить постоянное напряж ение на стенке и с помощ ью
клю ча §А1 подать питание на схему.
3. Снять ВАХ диода в прямом направление. Д ля этого
переклю чатель 8А2 поставить в полож ение «пр». П ереклю чить
вольтметр на ш калу с пределом измерения 0.75 В и масш табом
(м нож ителем ) х1. П одать м иним ально возм ож ное напряж ение с
помощ ью потенциом етра ТСР, подобрать ш калу ам перм етра РА,
достаточно чувствительную для измерения тока, и изм ерить силу
тока. Значения I) и 1 занести в таблицу 74.1. И спользуя КР, м енять
величину напряж ения через 0,02-0.05 В до 0 ,0 3 5 -0 ,4 0 В. По мере
48
роста тока переходить на более грубые (с большими пределом
измерения) шкалы амперметра. Значения 11пр и соответствующие
величины 1пр занести в таблицу 74.1.
Таблица 74.1
Ипп.В
1пр. А
4.
Снять ВАХ диода в обратном направлении. Поставить
переключатель 8А2 в положение «об». Использовать сначала ту же
шкалу вольтметра с пределом 0,75 В и шкалу миллиамперметра Р тА
в соответствие с величиной 10б. Измерить значения тока через диод
УО, меняя напряжение потенциометром сначала через 0,02 - 0,05 В. А
выше 0,3 В через 0,1 - 0,2 В. Напряжение поднимать до 1,3 - 1,5 В.
Значения И выше 0,75 В измерять либо переключив масштаб шкалы
в положение х2, либо переключив предел. Значения 110б и 1об
занести в таблицу 74.2.
Таблица 74.2
Ц *в
10б. т А
5. Построить статистическую ВАХ диода на одном графике в
прямом и обратном направлениях. Масштаб 11пр и 110б должен быть
одинаков, а масштаб 1пр и 1об различен. При построении ВАХ 11пр и 10б
откладывают на положительных осях, 110б и 1об на отрицательных.
6. Для нескольких значений напряжения, например, 0,1; 0,15; 0,2;
0,25; 0,3; 0,35 В, подсчитать коэффициент выпрямления как
отношение тока в пропускном направлении к току в обратном при
одном и том же напряжении на диоде.
Результаты занести в таблицу 74.3.
Таблица 74.3
II, В
К
в ы п р.
Контрольные вопросы
1.
Какова природа электронной и дырочной проводимости в
примесных полупроводниках?
49
I
2. Объяснить зонные диаграммы собственного и примесных
полупроводников.
3. Что представляет собой электронно-дырочный переход?
4. Рассказать о процессах, происходящих в р - п - переходе в
состоянии равновесия, Нарисовать и объяснить зонную диаграмму р —
п - перехода в равновесии.
5. Рассказать о процессах, происходящих в р - п —переходах при
подключении внешнего электрического поля в прямом направлении, в
обратном. Объяснить измерения, происходящих в зонных диаграммах
р - п - перехода при приложении внешнего поля.
6. Какова ВАХ р -п -п е р е х о д а ? Объяснить ее.
7. Какие бывают р - п
- переходы? В каких приборах
используются свойства р - п - переходов?
8. Рассказать о применении полупроводниковых диодов.
9. Какие параметры выпрямительных полупроводниковых диодов
вы знаете? Какие существуют виды ВАХ диодов?
10. Рассказать о методике снятия ВАХ характеристике в
настоящей работе. Каковы различия в схемах, применяемых для
снятия ВАХ в прямом и обратном направлениях?
Меры безопасности
Соблюдать общие требования техники безопасности и пожарной
безопасности при выполнении лабораторных работ.
50
Лабораторная работа № 75 Снятие статических характеристик и
определение физических параметров транзистора
Цель работы: получение семейств статических входных и
выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером и
определение его физических параметров.
Теоретическое введение
Транзистор (полупроводниковый триод) представляет собой
устройство в котором имеются две области однотипной
проводимости (И или Р), разделенные чрезвычайно узкой областью
противоположной проводимости.
Транзисторы могут иметь структурную схему р-п-р и п-р-п
(рисунок 75.1) Области кристалла с одинаковым типом проводимости
называются эмиттером (Э) и коллектором (К), разделяющая их
область базой (б). Эмиттер, коллектор и база транзистора снабжены
электрическими выводами.
К
Рисунок 75.1
Структура и условные обозначение транзисторов р-п-р и п-р-п
типов. На и более часто они используются в качестве усилительных
элементов, электрических схем. Кроме того их используют в схемах
генераторов электрических
сигналов, в схемах селекторов,
анализаторов формироваться электрических импульсов, в устройствах
вычислительной техники и т.п.
51
Свойства электронно-дырочного перехода.
Чтобы понять, как работает транзистор, следует познакомиться
со свойствами электронно-дырочного перехода (р-п и п-р). р-п
переход представляет собой область внутри монокристалла
полупроводника типом проводимости в следствии
диффузии
свободных электронов в р- область и дырок в п —область ( рисунок
75.2). (Эти области в монокристалла акцепторных и донор примесей).
п___________ р-п переход
ф
©
©
+
©
ф —
ф
©
+
©
+
ф — ф
ф
©
©
+
©
ф — ф
—
Рисунок 75.2
± ) свободнее дырки и электроны.
§ ) положительные и отрицательные ионы.
При рекомбинации дырок и электронов в пограничном слое
остающиеся положительные ионы доноров в п - области и
отрицательные ионы акцепторов в р - области создают двойной
электрический слой (р-п переход) с электрическим полем
значительной величины, которое препятствуют дальнейшему
перемещению через границу свободных дырок из р - области и
электронов из п - области (его еще называют «запорным слоем»).
Наличие в р-п переходе электрического поля приводит к тому, что в
нем не могут задержаться свободные электроны и дырки, в следствии
чего этот слой обеднен свободными носителями заряда и поэтому
обладает большим электрическим сопротивлением .
Основным свойством р-п — перехода, обеспечивающим
практический интерес к нему, является его односторонняя
проводимость. Если при включении монокристалла с р-п- переходом в
цепь внешнее поле будет совпадать по направлению с полем р-п перехода (рисунок 75.3 а), толщина и сопротивление. Поэтому ток в
цепи будет пренебрежимо мал электронами в р - области и дырками в
п - области.
52
а) включение в запорном направлении
Е в„
&
е ..
...1
<2 <2У
+
б) включение в пропускном направлении
Рисунок 75.3
Если изменить полярность источника внешней Э.Д.С. на
противоположную (Рисунок 75.3 б), то внешнее поле скомпенсирует
поле р-п - перехода, его сопротивление станет незначительным и в
цепи потечет электрический ток достаточной величины:
1 = 1, е кт -1
где 10 —ток насыщения (обратный ток);
II - величина приложенного напряжения;
к - постоянная Больцмана;
^ - заряд электрона.
53
Транзистор в рабочем режиме
Рассмотрим ф изические процессы , протекаю щ ие в транзисторе
на примере транзистора р-п-р - типа, вклю ченного по схеме,
представленной на рисунке 75.4.
У казанной способ вклю чения называется схемой с общ им
эмиттером (сущ ествует ещ е схемы с общ ей базой и общим
коллектором рисунок 75.7; 75.8; 75.9).
Рисунок 75.4.
Здесь р-п - переход между эм иттером и базой вклю чен в
пропускном направлении, а переход между базой и коллектором - в
запорном. При подаче на базу отрицательного напряж ения эмиттер
переход откры вается, и ды рки из эм иттера переходят в базу.
(При изготовлении транзисторов типа р-п- р - концентрацию
ды рок
в эм иттере делаю т на 2-3 порядка выш е концентрации
электронов в базе. П оэтом у встречны й поток электрон ов из базы в
эмиттер м ож но не учиты вать). П оскольку коллекторны й переход
вклю чен в запорном направлении, электрическое поле в базе
отсутствует (Е=0). Э то приводит к том у, что ды рки, вош едш ие в базу
из эм иттера далее перемещ аю тся, ли ш ь за сч ет диф фузии,
распространяясь из области с высокой концентрацией (в близи
эм иттера) в область с низкой концентрацией (к коллектору). Ш ирина
54
базы в транзисторе р-п- р- типа меньше диффузионной длины дырок.
Ьр - расстояния , на котором их концентрация уменьшается в е раз;
(е - основание натурального логарифма). Поэтому большинство
дырок успевает путем диффузии пересечь базу и достигнуть
коллекторного перехода.
Появление положительного объемного заряда в электрически
нейтральной базе за счет дырок из эмиттера приводит к
возникновению электрического поля. Это поле втягивает в область
объемного заряда дырок (неосновных носителей в базе)
Такое количество электронов, которое бы полностью
скомпенсировали положительный заряд. Электроны входят через
базовый ввод практически одновременно с втягиванием дырок (за
10'ш-10'13секунд).
Диффузия дырок в базе сопровождается соответствующими
изменении распределения концентрации электронов, так что любой
элемент объема базы остается электрически нейтральным.
Дальнейшая «судьба» электронов и дырок, достигших коллекторного
перехода, различна.
Все дырки полем коллекторного перехода Ек втягиваются в
коллектор. Электрике же не могут преодолеть этот переход т.к. для
них он включен в запорном направлении. При постоянной величине
отрицательного напряжения на базе, убыль дырок в базе за счет
перехода их в коллектор
компенсируется
диффузией равного
количества дырок, входящих из эмиттера. При этом общее количество
дырок в базе остается неизменным и ток через базовой ввод должен
отсутствовать.
Однако, т.к. в действительности небольшая доля дырок в базе (I5%) рекомбинирует с электронами, то на место рекомбенированных
дырок в базу входит равное количество дырок из эмиттера, а убыль
числа электронов через базовой ввод, что обеспечивает ток базы (1е)
равен сумме токов, протекающих через коллекторный (1к) и базовой
1р вводы: 1р= 1к+ 1б . Причем соотношение между 1„ и 1б определяется
условиями диффузии и рекомбинации дырок в базе, которые в свою
очередь зависят от типа использованных для изготовления
транзистора материалов и конструкции электродов.
55
Статические характеристики и физические параметры
транзистора (по схеме с общим эмиттором)
Характеристиками
транзистора
называются
графически
представленные зависимости между токами и напряжениями в его
входных и выходных целях.
Семейство статических входных характеристик это
зависимости при 11к_э = сот* (рисунок 75.5)
1б = Г(1]б.э)
Рисунок 75.5
По входной характеристике можно
входного сопротивление транзистора:
к
*
Ы .
еа„
определить
величину
сиф
Величина Квх может быть найдена из графика путем проведения
касательной к характеристике в мА с ординатой равной величине
входного тока, для которого требуется определить входное
сопротивление.
56
На рисунке 75.5
(75.2)
где Д1б - изменение тока базы при соответствующим изменении
входного напряжения Д11б-Э
Семейство статических выходных характеристик - это
зависимости:
К =
I/, = сопа
(75.3)
Каждая кривая из семейства характеристик состоит изпочти
вертикального
участка
возрастания
тока
при
увеличении
коллекторного напряжения Ътк.э от нуля до нескольких долей вольта и
основного участка, представляющего прямую с малым углом наклона
к оси напряжений. Небольшая величина угла наклона кривой
свидетельствует о слабой зависимости коллекторного тока от
величины коллекторного напряжения. По выхадным характеристикам
можно определить величену выхадного сопротевления транзистора:
Способ определения показан К.вьк на рисунке 75.6 по кривой I.
Отношение изменения тока коллектора (Д1К) к изменению тока базы
(Д1б) при Ц*. э = сош1 называется коэффициентом передачи базового
тока |3.
ду
\ик_.л=СОП51
57
(75.4)
1
Рисунок 75.6
Для мА (рисунок 75.6) при 1бз и при Ц,_э = сопз! например, (3
может быть определенно следующим образом: из мА проводится
перпендикуляр к оси напряжений: из точек пересечения этого
перпендикуляра с двумя ближайшими характеристиками над мА и под
ней (В и С) проводят прямые параллельные оси напряжений; отрезок
на оси токов между точками В и С определяют как I при изменении
базового тока на величину Д1б= 1б4 -162.
Усилительные свойства транзисторов при различных
способных включения
На рисунке 75.7; 75.8; 75.9 показаны различные
способы
включения транзисторов типа р-п-р. Выбор способа включения
транзистора зависит от поставленной задачи (усиление по току или
усиление по напряжению и мощности).
58
Рисунок 75.7 — Транзисторный усилительный каскад с общей
базой
Рисунок 75.8 - Транзисторный усилительный каскад с общим
эмиттером
Рассмотрим параметры схем:
а)
входное сопротивление определяется как отношение
изменения на входе при любом способе включения к изменению
входного тока:
59
б) коэффициент усиления по току равен:
(75.6)
в)
коэффициент усиления по напряжения — это отношение
напряжения на входных клеммах, транзистора (Д11вых) обусловленным
падением напряжения и нагрузочном сопротивлении (Кн), к
вызвавшему его изменению напряжения на рисунке 75.9
Транзисторный усилительный
входе (Д11„х) каскад с общим
эмиттером
(75.7)
г)
коэффициент усиление каскада по мощности определяется
отношением:
При любом способе включения рабочий режим транзистора
создается подачей на вход постоянного напряжения в пропускном
направлении и преобразуемого переменного сигнала:
1)
в схеме с общей базой (рисунок 75.7) перечисление выше
параметры каскада определяется следующим образом:
(75.9).
(а - еще называют коэффициентом преобразования эмиттерного
тока). Так како 1э= 16+ 1к но поскольку 1б как правило мало, то К] к а
близко к единице. Усиление п току не происходит
(75.10)
Благодаря включению эмиттером перехода в пропускном
направлении,
входное
сопротивление
каскада
(Я,„)
мало,
сопротивление нагрузки (К.„) можно взять достаточно большим.
Поэтому обычно:
^ -> > 1
и ЛГ„ » 1 ;
Кр= К,Ки = а1— > 1
(75.11)
К,
Таким образом, при включение транзистора по схеме с общей
базой получают усиление сигнала на выходе по напряжению и по
мощности;
2)
в усилительном каскаде с общим эмиттером (рисунок 75.8)
входным током является ток базы, а выходном ток коллектора.
В этом случае:
(75.12)
&и
м -к..
_ к..
V
к Р= кг ки=(р+О
2-^
(75.13)
(75.14)
К
Усилительный каскад с общим эмиттером позволяет получить
усиление по току, напряжению и мощности. Достоинством его
является обеспечение усиления входного сигнала по току;
3) для каскада с общим коллектором (рисунок 75.9) имеем:
(75.15)
(75.16)
61
К, = К,.К, =(/? + 1); . ^
(75.17)
Эта схема обладает очень высоким (десятки тысяч Ом) выходным
сопротивлением.
Г.е. наибольшее усиление по мощности можно получить в схеме
с общим эмитгером. Это схема на практике получила наибольшее
распространение.
Малая величина входного сопротивления в схеме с общей базе
позволяет использовать ее для усиления сигналов только от
источников, внутреннее сопротивление которых меньше входного
сопротивления каскада. Поэтому такая схема используется
сравнительно редко.
Каскад с общим коллектором при
применяют в качестве
предварительного или согласующего каскада при необходимости
усиления сигналов от источника с большим
внутренним
сопротивлением.
Задачи работы и порядок ее выполнения
Экспериментальная часть работы заключается
семейств кривых:
а)
в получении
,-С()ПХ1
б) /, **/((/, ,)! /,; = сотV
Схема экспериментальной
75.10.
установки приведена на рисунке
{А>
■Ф
Ф
К
<А>
©
Ф
Рисунок 75.10
62
—>
К
Порядок выполнения работы
Снимаются две входные статистические характеристики при
Ук-э=0
^ -,= 1 6
1. Для снятия первой кривой ^б = / ( ^ б - э ) !у„_„0 с помощью
потенциометра
К2
устанавливают
значение
коллекторного
напряжения О к_э = 0 .
Изменяя потенциометром К] величину входного напряжения 1)б-э,
следует снять величины входного тока 1б с миллиамперметра А] при
различных значениях 1/ 5.3 - отсчитываемых по милливольтметру ( V])
Шб -э изменять через 0,028 от 0 до 0,148).
2. Установить с помощью потенциометра К 2 напряжение на
коллекторе
э = 1В и поддерживая его в дальнейшем неизменным,
необходимо
снять
вторую
статистическую
характеристику
\ц,_, = 1 В (в интервале Ц>.э от 0 до 0,2 в).
Таблица 75.1
Ц«=1В
Пк-э=0
Иб-э, в
0
0,02
0,04
1б, мА
3. По полученным данным построить кривые 1б — ЩЛб-э) (обе
кривые на одном чертеже).
4. По входной характеристике при Ц<.э = 1 В графически
определяется величина входного сопротивления в точке с
координатой 1д = 0,8 мА.
5. Снимаются три выходные характеристики транзистора:
/„ -
11б = сот1 для 1б—0,6 мА; 0,8 мА; 1 мА.
6 . Устанавливают с помощью потенциометра К.1 величину тока;
поддерживая 1б постоянным с помощью К.1 (отсчитываемого по
вольтметру У2) и при определенных его значениях измеряют величину
коллекторного тока (по миллиамперметру А2). Напряжение следует
63
изменять от 0 до 1,6 В (вначале от 0 до 0,28 через 0,02 В, зачем через
0 ,1-0,2 В до 2,0 В).
Результаты всех измерений следует занести в таблицу 75.2.
Таблица 75.2
ии в
0
0,02
0,04
1,;, мЛ/1,-=0,6 мД
1,;, мА/1,-,
0,8 мД
1к., мАЛ.-г- I мЛ
.
_ _ ......................
По данным таблицы на одном и том же чертеже построить 3
кривые.
7. По одной из кривых графически определяется К,шч (как
показано в §4, рисунок 75.6)
8. Для случая: 1Й= 1 мА и 11к.,=0,6 И следует определить
коэффициенту усиления по току (в рассматриваемой схеме он равен
коэффициенту передачи базового тока, см 02)).
= сот!
Способ определения (1 (см. §4. Рисунок 75.6)
9. Вычисляются коэффициенты К„ и Кр:
К,. = К. -=а-
К,,
(75.13)
= К, ■к,
(75.14)
Контрольные вопросы
1. Что гпкое транзистор? Типы транзисторов
2. Что такое эмиттер, коллектор, база транзистора?
3. Что называется р-п переходом? Расскажите о его свойствах.
4. Расскажите о физических процессах, протекающих
транзисторе, находящемся в рабочем.
64
в
5.
Что
называется
семейством
статических
входных
характеристик
транзистора?
Семейством
выходных
характеристик? Покажите общий вид этих кривых?
6. Назовите возможные способы включения транзистора в
электрическую схему.
7. Напишите общие формулы для определения коэффициентов
усиления транзистора по току, напряжению и мощности.
8. Расскажите о способе определения входного сопротивления,
коэффициента усиления по току и выходному сопротивлению.
65
I
Лабораторная работа № 76 Изучение фотодиодов
Цель работы: снятие
построение,
световых
фотогальваническом режиме.
вольт-амперных
характеристик,
характеристик
фотодиода
и
в
Теоретическое введение
Широкое применение находят полупроводниковые приемники
излучения — опто-электронные полупроводниковые приборы,
чувствительные
к
электромагнитному
излучению
видимой,
ультрафиолетовой
и
инфракрасной
областей
спектра или
преобразующие
энергию
электромагнитного
излучения
в
электрическую энергию. К ним относятся фотодиоды - приемники
излучения, фоточувствительный элемент которых содержит структуру
полупроводникового диода. Принцип действия фотодиода основан на
свойствах электронно-дырочного перехода и на явлении внутренного
фотоэффекта.
Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный или р-п переход - это переходный слой
между двумя облостями полупроводника, одна из которых имеет
электропроводность п-типа, а другая р-типа. р-п переход создается в
монокристалле полупроводникового материала внедрением в него
соответствующих
примесей.
Предположим
для
простоты
рассмотрения, что в какой-то момент создан электрический контакт
между электронным и дырочным полупроводниками. На границе
возникнут диффузионные потоки основных носителей заряда:
электронов из п- в р-область и дырок из р- в п-область. Электроны,
попадая в р-область, рекомбинируют (взаимно уничтожаются) с
дырками, то же происходит в тонком слое вблизи границы р- и побластей. В результате этот слой оказывается свободными носителями
заряда. Также рекомбинация приводит к тому, что отрицательный
заряд неподвижных ионов со стороны р-области не уравновешивается
положительным зарядом дырок, так как часть из них
прорекомбинировала, и образуется отрицательный объемный заряд.
Аналогично со стороны п-области создается положительный
объемный заряд неподвижных ионов доноров. Объемные заряды на рп переходе создают двойной электрический слой (рисунок 76.1) и.
66
следовательно,
внутреннее
электрическое
поле,
которое
ротиводействует процессу диффузии основных носителей заряда.
р-п переход
+©+©
+© +©
+© +©
+ ©+©
©©
©е
ф
ф
ф
ф
е©
е©
р-область
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
-
ф
ф
ф
ф
-
п-область
Евд^тп._____
0
Ф
- ионы акцепторов;
- ионы доноров; ( + )-дырки;
“” ■(
) - электроны. Ионы основного материала и неосновных
носителей заряда схематически не изображены.
Рисунок 76.1
Зонная диаграмма р-п перехода в равновесии показана на рисунке
76,2. Энергетические зоны в р- и п-областях смещаются относительно
друг друга, в области перехода наблюдается изгиб зон, образующий
потенциальный барьер ефк для основных носителей заряда (е - заряд
электрона, <рк - контактная разность потенциалов).
В состоянии равновесия диффузионный ток основных носителей
заряда 18 и дрейфовый (под действием электрического поля р-п
перехода) ток неосновных носителей заряда 10 (электронов из робласти в п-область и дырок из п- в р-область) компенсируют друг
друга
/ = / ,+ / „
67
(76.1)
\УС - дно зоны проводимости; \Уу - поток валентной зоны; \УАакцепторный уровень;
- донорный уровень;
—уровень ферми
Рисунок 76.2
При приложении напряжения в прямом направлении (плюс к робласти,
минус
к
п-области)
внешнее
поле
направлено
противоположно внутреннему, в результате потенциальный барьер
понижается, и с увеличением напряжения резко растет ток основных
носителей заряда 18. При приложении напряжения в обратном
направлении (плюс к п-, минус к р-области) внешнее и внутреннее
электрические поля направлены одинаково, потенциальный барьер
для основных носителей заряда еще более возрастает и их ток 18
уменьшается. Протекает малый по величине дрейфовый ток не
основных носителей, слабо зависящий от напряжения. Вольтамперная характеристика р-п перехода не линейна (рисунок 76.3) и
определяется зависимостью
1 = 1а(е°и - I )
где
е - основание натурального логарифма;
а - коэффициент, зависящий от температуры;
II - напряжение.
68
(76.2)
Рисунок 76.3
Внутренний фотоэффект
Внутренний фотоэффект - перераспределение электронов по
энергетическим состояниям в твердых телах и жидкостях в результате
поглощения фотонов. Если энергия фотонов не меньше ширины
запрещенной зоны (Ьу>Д\У), как в собственных, так и в примесных
полупроводниках, образуются пары свободных носителей заряда
(электрон и дырка) в результате возбуждения электронов из валентной
зоны в зону проводимости (переходы 1 на рисунке 76.4). При низких
температурах в примесных полупроводниках возникает внутренний
фотоэффект, обусловленный переходом электронов с уровня в зону
проводимости (полупроводник п-типа) и из валентной зоны на
акцепторный уровень (полупроводник р-типа) - переходы 2, 3 на
рисунке 76.4 б;, 76.4 в.
69
©
©©
’^ с
VI с
’ш
1 .......
п -
гтшш
,
ф
,
,
,
,
,
.АУу
Рисунок 76.4
Фотодиоды
Фотодиоды изготавливаются из различных полупроводников:
кремния, германия, арсенида галлия, селена и др. Наиболее часто
используется конструкция фотодиодов, в которых направление
падающего излучения перпендикулярно плоскости р-п перехода. Свет
с энергией фотонов Ьл» > Д\У падает на широкую и тонкую п-область
(или р-область), образуя в результате поглощения электронно­
дырочные пары с обеих сторон р-п перехода. Важным при
рассмотрении фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом
режимах работы является поведение неосновных носителей заряда,
так как их концентрация может значительно изменяться в результате
освещения, в то время как относительное изменение концентрации
основных носителей заряда мало.
Фотодиодный режим работы
Фотодиод включается в цепь с внешним источником напряжения,
приложенного в запорном направлении (рисунок 76.5). Неосновные
носители заряда при освещении возникшие вблизи р-п перехода на
расстояниях, не превышающих диффузионной длины, диффундируют
к р-п переходу, подхватываются электрическим полем на переходе и
70
переносятся через него, увеличивая обратный ток и, следовательно,
напряжение на сопротивлении нагрузки К. Изменение обратного тока
в результате освещения называют фототоком
/Ф» / - / . ,
(76.3)
где
I - сила тока при освещении;
1о - сила тока в отсутствие освещения (темновой ток).
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) в фотодиодном режиме
при различных световых потоках Ф приведены на рисунке 76.6.
Рисунок 76.5
Рисунок 76.6
В рабочем диапазоне обратных напряжений токи фотодиода при
освещении практически не зависят от величины 11обР.- Фотодиодный
режим используется для преобразования световых сигналов в
электрические.
Рисунок 76.7
71
Преимуществом фотодиодов перед фоторезисторами является
линейность световой характеристики (рисунок 76.7) и малая
инерционность (до 10‘9 с). Чувствительностью фотодиода называют
отношение фототока к величине светового потока
(76.4)
Кш±,
Если
падает
белый
свет,
определяют
интегральную
чувствительность. Спектральная чувствительность - чувствительность
фотодиода к монохроматическому свету различна для разных длин
волн.
Фотогальваническкй режим работы
Фотогальванический режим - это режим работы фотодиода без
внешнего
источника
напряжения,
предназначенный
для
непосредственного
преобразования
световой
энергии
в
электрическую. Фотодиоды в фотогальваническом режиме также
называют полупроводниковыми фотоэлементами, а если они имеют
большую площадь - солнечными батареями. Включение фотодиода
показано на рисунке 76.8, где К. —сопротивление нагрузки.
Принцип работы заключается в следующем. Электрическое поле
р-п перехода производит разделение неравновесных носителей заряда,
генерированных светом. Неосновные носители заряда переносятся
полем перехода: электроны из р- в п-область, дырки из п- в р-область
и становятся основными. С точки зрения энергетической диаграммы
(рисунок 76.2) это означает скатывание электронов с потенциального
барьера в п-область и скатывание дырок в р-область. В результате
Рисунок 76.8
72
п-область
заряжается
отрицательно,
а
р-область
положительною между р- и п-областями возникает разность
потенциалов - фото ЭДС. Направление возникшего в результате
освещения тока через нагрузочное сопротивление показано на
рисунке 76.8.
переход неосновных носителей заряда не беспределен, так как
перейдя, они нейтрализуют часть объемного заряда п р перехода,
понижают высоту потенциального барьера и тем самым
напряженность поля на переходе и ухудшают его разделительные
свойства.
Фотогальваническому режиму соответствует часть полной ВАХ
фотодиода (рисунок 76.9), расположенная в четвертом квадрате.
Отдельно вольт-амперные характеристики в фотогальваническом
режиме различных световых потоках показаны на рисунке 76.10.
Рисунок 76.9
Рисунок 76.10
Точки пересечения ВАХ с осью напряжений Ц(Х соответствует
значениям фото - ЭДС или напряжениям холостого хода (при
разомкнутой цепи), точки пересечения с осью токов
соответствует
значениям токов короткого замыкания (К=0).
Световые характеристики в фотогальваническом режиме - в
зависимости фото-ЭДС или тока короткого замыкания от светогого
потока.
Они нелинейны (рисунок 76.11), что связанным
рассмотренным выше процессом уменьшения высоты потенциалов
при переходе электронов п область. Максимальное значение фотоЭДС приближается к величине контактной разности потенциалов фк •
Спектральная характеристика фотодиода в фотогальваническом
режиме - это зависимость тока короткого замыкания от длины волны
73
(или частоты) падающего света. На рисунке 76.12 показана
зависимость 1кз от X для кремниевого фотодиода. Спад со стороны
больших X - красная граница фотоэффекта. Спад со стороны коротких
М связан с тем, что фотоны с энергией, заметно превышающей
ширину запрещенной зоны, активно поглощаются в тонком
приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных
носителей заряда высока.
Рисунок 76.11
Рисунок 76.12
Коэффициент полезного действия —это отношение максимальной
мощности которую можно получит на нагрузочном сопротивлении к
полной мощности лучистого
потока, падающего на рабочую
поверхность фотодиода. КПД различных фотодиодов, изготовленных
из кремния, арсенида галлия других полупроводников, достигает 1220 % невысокая величина КПД связана
с фотоэлектрический
неактивным поглощением света, его отражением от поверхности,
рекомбинацией неравновесных электронов и дырок до разделения их
полем, потерями мощности при прохождении тока через объем
фотодиода и другими причинами.
Лабораторная установка и метод измерения
В работе иследуется селеновый фотодиод в фотогальвани ческом режиме. Схеме установки предназначена для снятия вольт амперных характеристик и включает в себя следующие элементы:
Фотодиод ВЬ представляющий собой систему, состоящую из
металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой
селена толщиной около 0,1 мм с замирающим слоем, покрытый
полупрозрачной электродов:
Выпрямитель
112
для
питания
лампы
накаливания,
расположенный внутри стенда;
74
Лампа накаливания ЕЬ, расположенная вместе с фотодиодом с
светонепроницаемом корпусе;
Набор сопротивлений К1,..., К 10 и галетный переключатель
8АЗ, позволяющие изменять сопротивление нагрузки ступенчатым
образом для регулирования тока нагрузки;
Цифровой вольтметр РшУ для измерения напряжения на
фотодиоде, расположенный на стенде, с жидкокристаллическим
индикатором, выходящим в окошко стенда.
Входные сопротивление цифрового вольтметра Щ4313 на
исследуемом пределе измерений 500 мВ составляет 100 Мом, что на
много
порядков
превосходит
сопротивление
фотодиода
сопротивление нагрузки, поэтому ошибка в измерений фото ЭДС или
напряжения на фотодиоде, связанная с протеканием тока через
вольтметр, ничтожна и в пределах точности измерений отсутствует.
Световой поток, падающий, на фоточувствительные элемент,
регулируется изменением расстояния между ним и лампой
накаливания.
Порядок выполнения работы
%
1. Включить выпрямитель штепсельной вилкой в сеть 220 В.
2. Установить лампу на небольшом расстоянии 10 см от
фотодиода. При установке источника света против какого - либо
деления линейной шкалы, расположенной под светонепроницаемым
корпусом, за центр электролампы принимается отмеченная белой
точкой середина стойки. Ключом 8А1 включить освещение,
3. Включить питание вольтметра ключом 8А4. Переключатель
рода работы прибора установлен на измерение напряжения, предел
измерений выбран 0,5 В. Показания прибора даются на его шкале в
мВ.
4. Снять вольт - амперную характеристику (ВАХ) фотодиода в
фотогальваническом режиме.
75
Рисунок 76.13
5. Установить режим холостого хода; разомкнуть ключ ЗА2 при
этом сопротивление нагрузки И =оо, ток нагрузки 1=0, напряжение 1Л
измеряемое цифровым вольтметром, соответствует фото - ЭДС Цчч.
Значение г, I и Ы занести в таблицу 76.1.
6. Изменяя сопротивление нагрузки (положение галетиого
переключателя 8АЗ 10... I), измерять соответствующие друг другу
значения тока нагрузки 1 и напряжения У вплоть до режима которого
замыкания при Я=0, когда 1.1=0 и ток максимален 1=1к.,.
7. Снять вольг - амперные характеристики при других грех четырех значениях светового потока, соответствующим расстояниям г
в пределах от 10 до 30 см. Величины г и соответствующие им пары
значений 1 и занести в таблицу.
8. Рассчитывать значения световых потоков
Ф=
(76.5)
г
где .1 сила света лампочки, равная 2,! кд;
5 - площадь светочувствительного элемента (9,6 * 10"' м2);
г - расстояние лампы от до фотодиода.
76
Занести значения Ф в таблицу 76.1
Таблица 76.1
г, м
Данные для вольт-амперных
характеристик
Ф, лм
и,
мВ
I,
мкА
Ц
мВ
I,
мкА
V,
мВ
I,
мкА
9. Построить вольт - амперные характеристики, полученные при
различных световых потоков. ВАХ можно построить в четвертом
квадрате (как на рисунке 76.10) или, как более общепринято, в первом
квадрате (рисунок 76.14). Если при измерениях не достигались
значения 11=0, то следует кривые 1(1_Г) экстраполировать до
пересечения с осью.
10. Построить световые характеристики фотодиода в
фотогальваническом режиме - это зависимости 1кз (Ф) и
(Ф).
77
Меры безопасности
Соблюдать общие требования техники безопасности и пожарной
безопасности при выполнений лабораторных работ.
Контрольные вопросы
1. Дайте определения полупроводниковых приемников излучения
и фотодиодов.
2. Что представляет собой р-п переход? Каковы его свойство,
зонная диаграмма, вольт - амперных характеристика?
3. В чем состоит сущность внутреннего фотоэффекта?
4. Какие материалы используют для изготовления фотодиодов?
Какова их инструкция?
5. Почему свойства фотодиодов определяются изменениям
концентраций неосновных носителей заряда при освещений?
6. Каково включение фотодиода в фотодиодном режиме? В чем
заключается принцип работы, каковы ВАХ, световая характеристика?
Для чего предназначен фотодиодный режим? Что называется
чувствительностью фотодиода?
7. Для чего применяют фотодиоды в фотогальваническом
режиме?
8. В чем заключается фотогальванический режим работы
фотодиодов? Объясните механизм образования фото - ЭДС.
9. Какие характеристики определяют работу фотодиода в
фотогальваническом режиме? Что представляет собой КПД
фотодиода?
10. Каково схема лабораторной установки для снятия ВАХ в
фотогальваническом режиме?
78
Литература
1 Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика твердого тела. - М. :
Высшая школа, 1971. - 224 с.
2 Виноградов Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой
техники: учебник для вузов —М. Энергия, 1972. —535 с.
3 Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики : учебное пособие
для втузов /. Детлаф А. А., Яворский Б. М. - М. : Высшая школа,
1989.-650 с.
4 Евграфова А. Г., Коган В. Л. Руководство к лабораторным
работам по физике. - М., 1970. - 398 с.
5 Епифанов Г. И. Физика твердого тела : учебное пособие для
вузов. - М .: Высшая школа,1977. -288 с.
6 Кортнев А. В., Практикум по физике : учебное пособие для
втузов. - М., 1965. - 549 с.
7 Майсова Н. Н. Практикум по курсу общей физики: учебное
пособие для студентов заоч. втузов и факультетов. - 2-ое изд.,
перераб. и доп. - М., 1970. - 484 с.
8 Пасынков В. В., Полупроводниковые приборы. - 3-е изд.,
перераб. и доп. - М .: Высшая школа, 1981. -431.
9 Трофимова Т. И. Курс физики : учебное пособие для вузов. 9-ое изд. - М. : АСАОЕМ1А, 2004. - 560 с.
10 Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых
приборов: учебное пособие для вузов. - М .: Современное радио, 1970.
-5 9 1 с.
79
Содержание
Введение
Лабораторная работа № 71 Определение концентрации носителей
заряда в полупроводниковом материале
методом эффекта Холла
Лабораторная работа № 72 Изучение температурной зависимости
сопротивления терморезистора и
определение ширины
запрещенной
зоны материала терморезистора
Лабораторная работа № 73 Изучение свойств фотосопротивлений
Лабораторная работа № 74 Исследование свойств
полупроводникового диода
Лабораторная работа № 75 Снятие статических характеристик и
определение физических параметров
транзистора
Лабораторная работа № 76 Изучение фотодиодов
Литература
3
4
13
27
37
51
66
79
Н. Ж. Жуспекова, Ш. С. Зейтова, Б. Ш. Исимова
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Учебно-методическое пособие
Технический редактор Е. А. Кабнасыров
Ответственный секретарь 3. С. Искакова
Подписано в печать 29.04.2016 г.
Гарнитура Тнпез.
Формат 60x90/16. Бумага офсетная.
Усл.печ. л. 4,60 Тираж 300 экз.
Заказ № 2787
Издательство «КЕРЕКУ»
Павлодарского государственного университета
им. С.Торайгырова
140008, г. Павлодар, ул. Ломова, 64
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 654 Кб
Теги
4169, zeytova, isimova, poluprovodnikov, fizika, juspekova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа