Содержание
Краткая теория. 4
Лабораторная работа № 24,а
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА С ПОМОЩЬЮ ОПТОПАРЫ.. 23
Лабораторная работа №1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО
ТРАНЗИСТОРА И СХЕМЫ ЕГО ВКЛЮЧЕНИЯ. 24
Лабораторная работа №1П
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ. 28
Краткая теория
Химически чистые полупроводники называют собственными полупроводниками. При абсолютном нуле температур валентная зона укомплектована у них полностью, зона проводимости является пустой. При повышении температуры вследствие термического возбуждения часть электронов валентной зоны приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, и переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне – положительно заряженных дырок. При приложении к кристаллу электрического поля, в нем возникает встречное направленное движение равных по численности электронов и дырок. Такая проводимость полупроводника называется собственной. В примесных полупроводниках проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в полупроводниках донорного типа и дырками в полупроводниках акцепторного типа. Эти носители называются основными. Помимо основных, полупроводники содержат всегда и некоторое число неосновных носителей, появляющихся в результате межзонной тепловой генерации: донорный полупроводник – дырки, акцепторный – электроны. Их концентрация, как правило, значительно меньше концентрации основных носителей.
Неравновесные носители
При температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупроводнике происходит тепловое возбуждение (генерация) свободных носителей заряда. Если бы этот процесс был единственным, то концентрация носителей непрерывно возрастала бы с течением времени. Однако вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации: электроны, перешедшие в зону проводимости или на акцепторные уровни, вновь возвращаются в валентную зону или на донорные уровни, что приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда. Динамическое равновесие между этими процессами при любой температуре приводит к установлению равновеснойконцентрации носителей. Такие носители называются равновесными.
Помимо теплового возбуждения, возможны и другие способы генераций свободных носителей в полупроводниках: под действием света, ионизирующих частиц, инжекции (впрыскивании) их через контакт и др. Действие таких факторов приводит к появлению дополнительных, избыточных, по сравнению с равновесными, свободных носителей.
При неизменной интенсивности внешнего фактора концентрация избыточных носителей растет вначале быстро, а затем, вследствие увеличивающейся скорости рекомбинации, рост замедляется и в конце устанавливается стационарное состояние, при котором скорость генерации носителей равна скорости их рекомбинации. Свойства неравновесных носителей ничем не отличаются от свойств равновесных.
В полупроводниках кроме тока проводимости (дрейфа носителей) может возникать еще и диффузионный ток. Причиной его возникновения является не электрическое поле, а разность концентраций носителей заряда. Например, если часть полупроводника подвергнуть облучению светом, то в ней усилится генерация пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной. Возникновение дополнительных свободных носителей приводит к повышению электропроводности полупроводника. Если увеличение проводимости произошло под действием света, то это явление принято называть фотопроводимостью, а сам процесс внутреннего освобождения электронов под действием света – внутренним фотоэффектом. Механизм этого явления заключается в следующем. Энергия падающего на полупроводник света (энергия фотона Е = hν) передается электронам валентной зоны (для собственного полупроводника) или примесного уровня (для примесного полупроводника). Для каждого определенного полупроводника существует наименьшая частота света, которая может вызвать в нем фотоэффект, поэтому свет меньшей частоты полупроводником поглощаться не может. Освобожденные светом электроны в течение очень короткого времени (порядка 10-3-10-7 сек) находятся в зоне проводимости. В отсутствие электрического поля они хаотически перемещаются в межатомных промежутках. Если же к кристаллу приложена разность потенциалов, они участвуют в электропроводности. При непрерывном освещении полупроводника устанавливается динамическое равновесие между генерируемыми светом носителями и рекомбинирующими. Если за счет воздействия светом в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника. Избыточная концентрация начнет убывать по экспоненциальному закону, показанному графически для электронной концентрации на рис.1, а. Время, в течение которого избыточная концентрация уменьшится в е раз (~2,7 раза), т. е. станет равна ~ 0,37 её первоначального значения, называют временем жизни неравновесных носителей τn. Этой величиной характеризуют процесс убывания избыточной концентрации во времени.
Рекомбинация неравновесных носителей происходит внутри полупроводника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности. Значения τn, τp (для электронов и дырок соответственно) в большинстве полупроводников могут быть от долей микросекунды до сотен микросекунд и более.
При диффузионном распространении неравновесных носителей вдоль полупроводника их концентрация (n или р) вследствие рекомбинаций также убывает с расстоянием по экспоненциальному закону (рис. 1, б). Расстояние Ln или Lp, на котором избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной. Она характеризует убывание избыточной концентрации в пространстве.
Таким образом, убывание избыточной концентрации происходит и во времени, и в пространстве, а сами величины τn и Ln, τp и Lp оказываются связанными друг с другом следующей зависимостью:
Dn,Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок
Светодиоды
Переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону сопровождаются выделением энергии Еg = hν (Еg – ширина запрещенной зоны). У многих полупроводников такой процесс рекомбинации электронно-дырочных пар носит преимущественно безызлучательный характер: выделяющаяся энергия отдается решетке и в конечном счете превращается в тепло. Однако у некоторых полупроводников рекомбинация может быть в значительной мере излучательной, когда энергия при рекомбинации выделяется в форме квантов света – фотонов.
В условиях теплового равновесия число актов излучательной рекомбинации равно числу актов поглощения квантов света равновесного теплового излучения. Поэтому полупроводник излучает ровно столько света (и на тех же частотах), сколько поглощает из окружающего пространства.
Для того чтобы излучение преобладало над поглощением, необходимо создать избыточную (над равновесной) концентрацию электронно-дырочных пар. Наиболее просто это можно сделать, используя явление инжекции носителей через р-n -переход при пропускании через него прямого тока. Концентрация неосновных носителей у границ р-n -перехода при этом резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители, и их концентрация у границ перехода становится также выше равновесной.
Диффундируя в глубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объемного заряда р-n -перехода. Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого света наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом. Светодиоды в электронной технике часто используются в качестве малогабаритных световых индикаторов. Выбирая для светодиодов полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, можно получать различный цвет свечения диода.
Оптопары (оптронные пары)
Если в одном блоке конструктивно объединить светодиод и фотоприемник, то полученный прибор принято называть оптопарой. На рис.2 схематически представлена оптопара.
После подачи на световой диод оптопары импульса напряжения, диод даст световую вспышку, что приведет к изменению проводимости фотоприемника (фотосопротивления). Если через фотосопротивление при этом протекает электрический ток, то изменение тока будет таким, как показано на рис.3.
Если за время t фототок уменьшился на k%, то величина фототока в этот момент будет I = (1-k) I0, тогда I0 / (1-k) I0 = I0 / I0e–t/τ.
Откуда 1/(1-k)=et/τ, следовательно:
(1)
Формула (1) дает возможность определить время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводнике, из которого изготовлено фотосопротивление приемника оптопары. Грубая оценка τ может быть сделана, согласно рис.3, экстраполяцией начальных участков экспонент.
Устройство и типы биполярных транзисторов
Биполярный транзистор (трехэлектродный полупроводниковый прибор) обычно представляет собой монокристалл германия или кремния, в котором созданы два встречно расположенных p-n перехода. Структура и эквивалентные электрические схемы плоскостных биполярных транзисторов приведены на рис.4.
Транзистор состоит из эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К). В плоскостном транзисторе база, являющаяся средней частью, по характеру проводимости отличается от крайних частей (эмиттера и коллектора). Первый p-n переход (ЭБ) называется эмиттерным, а второй (БК) – коллекторным. Эмиттер играет роль, аналогичную роли катода в электронной лампе, коллектор – анода, а база – управляющей сетки. Для подключения транзистора имеется три вывода. Источники питания присоединяются к транзистору таким образом, чтобы эмиттерный переход включался в прямом (пропускном) направлении, а коллектор – в обратном (запорном) (рис.5). Толщина базы составляет порядка 40-50 мкм, эмиттерная область легирована достаточно сильно, поскольку концентрация основных носителей в эмиттере должна быть во много раз выше, чем в базе.
