Обробка результатів експерименту та їх аналіз. 1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність Іф =f(U) для різних R на одному графіку

1. За даними таблиці завдання 1 побудувати залежність І_ф =f(U) для різних R на одному графіку. Незалежну змінну U відкладати вздовж горизонтальної осі.

2. За формулою (3) обчислити освітленість відповідно для всіх значень R таблиці завдання 2, взявши силу світла лампочки І рівною 1,8 кандели.

3. За даними таблиці завдання 2 побудувати залежність І_ф =f(E). Незалежну змінну Е відкладати вздовж горизонтальної осі.

4. За формулою (4) для певного значення R розрахувати не менше трьох разів К₀ при різних U і відповідних для них І_ф. Знайти абсолютну та відносну похибки.

5. Зробити аналіз результатів роботи та висновки з нього.

Контрольні запитання

1. Явища зовнішнього та внутрішнього фотоефекту.

2. Пояснити фотоелектричні явища в напівпровідниках з точки зору зонної теорії.

3. Назвати і обгрунтувати позитивні та негативні сторони фотоопорів. Навести приклади їх застосування.

 

Лабораторна робота № 8.4
ВИВЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ р-п-ПЕРЕХОДУ В НАПІВПРОВІДНИКОВОМУ ДІОДІ

Мета роботи: вивчити фізичні властивості напівпровідникового діода шляхом зняття вольт-амперної характеристики та знаходження коефіцієнта випрямлення.

Прилади та матеріали: досліджуваний діод;установка для одержання вольт-амперної характеристики.

Теоретичні відомості

Електронно-дірковий (або n-p) перехід виникає при контакті напівпровідників з різним типом провідності, який здійснюється їх сплавленням, іонною імплантацією або іншими технологічними прийомами. У напівпровідникові n-типу основні носії струму — електрони, концентрація яких n. У результаті теплової генерації в ньому існують також неосновні носії заряду — дірки, концентрація яких р_n, причому n>>р_n. У напівпровідникові р-типу основні носії - дірки, концентрацією р і неосновні – електрони, концентрацією n_р взаємозв'язані аналогічною нерівністю p>>n_p. Оскільки концентрації власних носіїв р_n і n_p визначаються шириною забороненої зони Eg та температурою Т, то р_n = n_р. Отже, n>>n_p і p>>р_n. Таким чином, у напрямку, перпендикулярному до площини р-n-переходу, існує градієнт концентрації носіїв заряду, результатом чого є дифузія електронів з n-області в р-область, а також зустрічна дифузія дірок. Оскільки носії мають електричний заряд, то дифузія супроводжується протіканням через р-n-перехід електричного струму, який носить назву дифузійного струму. Напрямки дифузійних струмів електронів і дірок показані на рис. 8.4.1.

У результаті дифузії основних носіїв заряду донори в n-напів-провіднику, а акцептори в р-напівпровіднику іонізуються, в результаті чого в області контакту створюються об'ємні заряди – позитивні в n-області та негативні в р-області. Незначний внесок в об'ємний заряд дають також дифундовані дірки та електрони. Розподіл густини об'ємного заряду р(х) вздовж зразка наведено на рис. 8.4.2. Між утвореними об'ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів U_k, електричне поле, напруженістю Е (рис. 8.4.1.).

Наявність контактної різниці потенціалів приводить до того, що поряд з дифузійним рухом основних носіїв відбувається переміщення неосновних носіїв заряду. Під дією поля дірки з n-області переходять в р-тип, а електрони назустріч. Таке переміщення неосновних носіїв заряду – дрейф – приводить до появи дрейфового струму j_en (рис. 8.4.1).

Рис. 8.4.1

При сталій температурі та відсутності зовнішніх впливів р-n-перехід знаходиться в динамічній рівновазі, тобто дрейфовий і дифузійний струми компенсують один одного, контактна різниця потенціалів приймає певне значення, а енергія Фермі Е_F набуває однакового рівня як в n-, так і в р-області зразка.

Рис. 8.4.2

Оскільки потенціальна енергія заряду в електричному полі визначається співвідношенням еj, де j – потенціал, то з врахуванням рис. 8.4.3 можемо зобразити енергетичну діаграму рівноважного р-n-переходу в такому вигляді (рис. 8.4.4).

Контактне поле протидіє рухові основних носіїв заряду. Тому в р-n-переході для основних носіїв заряду виникає потенціальний бар'єр, висота якого , а ширина його визначається товщиною р-n-переходу.

Рис. 8.4.3

Із зростанням домішкової концентрації збільшується концентрація основних носіїв заряду, що приводить до зростання кількості частинок, що дифундують. Тому збільшується густина об'ємного заряду, що забезпечує зростання U_k і зменшення товщини р-n-переходу. Для германію типові значення U_K=0,3..0,4 В, d=10^-4...10^-5 см, а при великих концентраціях домішок U_K=0,7 В, d=10^-6 cm.

Рис. 8.4.4

Приєднаємо джерело зовнішньої напруги позитивним полюсом до р -області, а негативним — до n-області. Така напруга, в якої полярність збігається з полярністю основних носіїв заряду, називається прямою. Електричне поле, створене прямою напругою, діє зустрічно контактному полю (рис. 8.4.5).

Рис. 8.4.5

Результуюче поле стане слабкішим, що призведе до зменшення різниці потенціалів на р-n-переході, внаслідок чого зменшиться висота потенціального бар'єра для основних носіїв заряду. Енергетична діаграма зміниться так, як показано на рис. 8.4.6. Зниження висоти потенціального бар'єра забезпечить зростання дифузійного струму j_д.

Рис. 8.4.6

Струм дрейфу практично не зміниться, оскільки він визначається головним чином числом неосновних носіїв заряду, які досягають р-n-переходу за рахунок теплового руху, а в нашому випадку температура залишалась сталою.

Таким чином, при прямому включенні через р-n-перехід протікає прямий струм, густина якого j_пp=j_д - j_e. Оскільки контактна різниця потенціалів U_k складає десяті частки вольта, то вже при малих ( 0,1 В) прямих напругах висота потенціального бар'єра суттєво зменшується, що приводить до великих значень прямого струму навіть при порівняно малій напрузі.

У випадку прямої напруги не тільки зменшується висота потенціального бар'єра, але й відбувається також зменшення товщини p-n-переходу, що приводить до зменшення опору, причому наявність об'ємного заряду обумовлює нелінійну залежність між струмом і напругою.

Змінивши полярність зовнішньої напруги, одержуємо зворотне включення p-n-переходу Напруженості зовнішнього та контактного полів додаються (рис. 8.4.7). Висота потенціального бар'єра зростає. Вже при малих зворотних напругах внаслідок зростання висоти потенціального бар'єра дифузійний струм практично стає рівним нулю. Провідність p-n-переходу обумовлена неосновними носіями заряду, а зворотний струм — це струм дрейфу Як вже зазначалось вище, дрейфовий струм в основному визначається тепловим рухом носіїв, внаслідок чого слабко залежить від величини зворотної напруги. Оскільки концентрація неосновних носіїв мала, то й зворотний струм значно менший від прямого. Як підсумок, вольт-амперна характеристика, тобто залежність I=f(U) має вигляд графіка, зображеного на рис. 8.4.8. Масштаби для позитивних і негативних значень І та U взяті різними.

Рис. 8.4.7

Малі значення зворотного струму p-n-переходу в порівнянні з прямим (до 10⁶ разів) дозволяють використовувати його для випрямлення змінного струму.

Найпростіша схема випрямлення на напівпровідниковому діоді подана на рис.8.4.9, де e-ЕРС генератора, яка змінюється за синусоїдним законом, R_н-навантажувальний опір резистора. Під час одного півперіоду напруга на діоді є прямою і через діод тече прямий струм і створює на навантажувальному резисторі напругу U_н. Під час наступного півперіоду напруга зворотна і завдяки тому, що зворотний струм малий U_н=0. Таким чином, випрямлена напруга має імпульсний характер.

 

Рис. 8.4.8

Для згладжування пульсацій паралельно R_н вмикається конденсатор, розряд якого під час від'ємних півперіодів забезпечує зменшення пульсацій.

Рис. 8.4.9

Порядок виконання роботи

1. Ввімкнути установку в електричну мережу.

2. Перемикач поставити в положення ''Прямий".

3. Змінюючи напругу від нуля, фіксувати значення струму через кожні 0,1В.

4. Перемикач поставити в положення "Зворотний".

5. Змінюючи напругу від нуля, фіксувати значення струму через кожні 10В.

6. Всі дані вимірювань занести в таблицю.