Лабораторна робота № 6. 3. Вимірювання світлової характеристики вентильного фотоелемента

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 54 из 59Следующая ⇒

W

ΔW₁

W_F

е

е

W

ΔW₂

W_F

е

е

Зона

провідності

Валентна

зона

n - тип

р - тип

а

б

Рис. 6.2.1

Для утворення домішкового напівпровідника з дірковою провідністю (напівпровідника р-типу) в кристал германію або кремнію додають атоми домішок з мен-шою валентністю, наприклад бору, який має три валентні електрони. Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення подвійного ковалентного зв’язку з чотирма сусідніми атомами основної речовини. Тому атом бору захоплює один з валентних електронів германію (або кремнію) і перетворюється у негативно заряджений іон. На місці захопленого електрона залишається дірка − квазічастинка, яка має додатний заряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. Після надання дірці незначної кількості енергії ΔW₂ (рис. 6.2.1, б) вона стає вільним носієм заряду.

Домішкові атоми, які можуть захоплювати електрони з валентної зони, називаються акцепторами. Акцепторні рівні енергії розміщені трохи вище від верхнього краю валентної зони основного кристала (див. рис. 6.2.1, б). Рівень Фермі в напівпровідниках р-типу лежить між верхнім рівнем валентної зони та акцепторним рівнем (див. рис. 6.2.1, б).

Отже, якщо концентрація вільних електронів у напівпровіднику більша за концентрацію дірок, то такий напівпровідник має електронну провідність і називається напівпровідником n-типу. Якщо перевищує концентрація дірок, то напівпровідник має діркову провідність і має
назву напівпровідник р-типу.

Розглянемо процеси на межі двох напівпровідників з різним типом провідності (рис. 6.2.2). Оскільки концентрація вільних електронів в
n-області є більшою, ніж в р-області, то електрони дифундують через контакт в бік р-області. У зворотному напрямку дифундують дірки. Потрапляючи в ділянки з протилежною провідністю, електрони рекомбінують з дірками, і поблизу контакту спостерігається зменшення концентрації вільних електронів і дірок. Оскільки атомні залишки в n-області заряджені позитивно, а в р-області – негативно, то в n-області біля межі накопичується позитивний заряд, а в р-області – негативний. Утворюється так званий p-n перехід. Це

n

p

- електрон; - дірка;

- донорний іон; - акцепторний іон.

Рис. 6.2.2.

У той же час електричне поле, що утворюється на межі, стимулює рух через p-n перехід неосновних носіїв струму. За відсутності зовнішнього електричного поля повний струм через p-n перехід дорівнює нулю завдяки динамічній рівновазі, що встановлюється на межі, коли середня кількість зарядів, які рухаються проти поля, врівноважується зарядами, що проходять межу в протилежному напрямку.

Дослідним шляхом з’ясовано, що в деяких випадках контакт двох напівпровідників має властивість проводити електричний струм переважно в одному напрямку.

p

n

n

p

а

б

Рис. 6.2.3

Зміна полярності зовнішньої батареї (обернений напрямок) призводить до збільшення висоти потенціального бар’єра для основних носіїв струму (рис. 6.2.3, б). Зовнішнє електричне поле “відтягує” основні носії струму від межі, внаслідок чого ширина p-n переходу і його опір збільшуються. Основні носії не можуть подолати потенціального бар’єра. Тим часом потік неосновних носіїв струму не змінюється (для них бар’єра немає). Через p-n перехід проходить невеликий струм І_н (струм насичення), сила якого майже не залежить від напруги.

Таким чином, p-n перехід має властивість односторонньої провідності, тому може бути використаний для випрямлення змінного струму.

I_H

U

I

Рис.6.2.4

Щоб дослідити односторонню провідність p-n переходу, у цій роботі використовують напівпровідниковий діод. У зв’язку з тим, що прямий струм набагато більший від оберненого, для їхнього вимірювання застосовують прилади різної чутливості. Обернений струм вимірюють мікроамперметром, а прямий – міліамперметром. На панелі лабораторної роботи є перемикач, який дає змогу вмикати діод у прямому та оберненому напрямках.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись із електричною схемою установки.

2. Виміряти прямий струм за різних значень (5...6 вимірів) прикладеної напруги (зняти ВАХ – І = f(U) у режимі прямого струму).

3. Перемикачем змінити напрям струму через діод. Зняти ВАХ у режимі оберненого струму.

4. Побудувати ВАХ цього діода для вказаних режимів.

5. Визначити внутрішній опір напівпровідникового діода у прямому та оберненому режимах його роботи:

,

де зміна напруги DU та сили струму DI визначаються на лінійній ділянці ВАХ.

6. Результати записати в табл. 6.2.1.

Таблиця 6.2.1

№

пор.

Режим прямого струму

Режим оберненого струму

U, В

I∙10^-3, А

R, Ом

U, В

I∙10^-6, А

R, Ом

Контрольні запитання

1. Що називають домішковою провідністю?

2. Що таке напівпровідник n–типу? Які носії струму є основними в напівпровіднику n–типу?

3. Накресліть зонну діаграму напівпровідника n–типу. Де розміщений рівень Фермі в домішковому напівпровіднику n–типу?

4. Що таке напівпровідник р–типу? Які носії струму є основними в напівпровіднику р–типу?

5. Накресліть зонну діаграму напівпровідника р–типу. Де розміщений рівень Фермі у домішковому напівпровіднику р–типу?

6. Що називають n–р переходом і як технічно його отримують?

7. Як виникає контактне електричне поле та потенціальний бар’єр для носіїв струму в n–р переході?

8. Чому запірний прошарок n–р переходу має великий опір?

9. Накресліть ВАХ для n–р переходу, поясніть вигляд її окремих ділянок.

10. Які переваги мають кристалічні діоди перед ламповими?

Мета роботи: дослідити явище виникнення фото-ЕРС у фотоелементах із запірним прошарком; визначити світлову характеристику вентильного фотоелемента та його інтегральну чутливість.

Література: [1, т.3 §§ 9.2, 14.2; 2, §§ 244; 4, т. §§ 65].

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры