Порядок выполнения работы
Поместить источник света при полностью открытой диафрагме на расстояние
.
Включить источник света. Плавным
перемещением источника света установить
его так, чтобы при напряженииU=0В
стрелка микроамперметра отклонилась
на максимальное число делений. Аккуратно
закрыть трубу и изменяя напряжение U
между анодом и катодом фотоэлемента,
измерить значение силы тока, то есть
получить зависимость I1=f(U)
не менее 9 – 10 точек, достигая тока
насыщения Iн
(в таблице должно быть не менее 2 – 3
значений Iн).Изменить положение источника света
,
и, повторив п.1 получить зависимостьI2=f(U)
и I3=f(U).
Поток световой энергии Ф
постоянен (диафрагма источника света
полностью открыта).Изменить поток световой энергии Ф оставляя его неизменным (уменьшить диаметр отверстия диафрагмы источника света) и повторив п.1 получить зависимости I4=f(U), I5=f(U), I6=f(U).
Вычислить интегральную чувствительность γ фотоэлемента.
Экспериментальные и расчетные данные занести в таблицу:
N
n/n
, м
, м
, мU, В
I1, μА
I4, μА
I2, μА
I5, μА
I3, μА
I6, μА
0
2
4
γ, μА/лм
Полученные результаты представить в виде графиков I=f(U).
Сделать соответствующий вывод.
Контрольные вопросы:
В чем заключается явление фотоэффекта?
Какие бывают виды фотоэффекта?
Что такое работа выхода?
Можно ли объяснить фотоэффект с точки зрения классической электродинамики?
Чем объяснить наличие тока насыщения у вакуумных фотоэлементов?
Дать определение потока световой энергии, силы света, освещенности. В каких единицах она измеряется?
Как определить А, если известны задерживающие разности потенциалов двух частот?
Литература
Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.
Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов /Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др.; Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высш. школа, 1980. – 360с., ил.
.Лекции.
Лабораторная работа №10
Исследование полупроводниковых диодов
Цель работы: 1.Исследовать вольтамперные характеристики диодов Д7Е и Д226.
2.Исследовать температурную зависимость сопротивления p-n перехода.
Приборы и принадлежности: Лабораторная установка, диоды Д7Е и Д226, миллиамперметр, микроамперметр, вольтметр, милливольтметр, реостат.
Краткая теория
Образование p–n перехода.
Действие полупроводникового диода основано на электрических свойствах электронно-дырочного перехода. p–n переход изготовляется вплавлением или диффузией акцепторной примеси в донорный полупроводник или донорной примеси в акцепторный полупроводник. p–n переходом является внутренняя граница в монокристалле, отделяющая области с различным типом проводимости толщиной 10-6 м.
Например, если на кристалл германия Ge наложить индиевую In “таблетку”, а затем нагреть эту систему примерно на 500°С, в вакууме или в атмосфере инертного газа, а затем медленно охладить то атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий, что приводит к созданию р–n перехода (рис.1).
Особенности p–n перехода.
Поскольку концентрация дырок в p–области велика, а в n–области мала, то градиент концентрации в кристалле будет вызывать диффузию дырок в направлении к n–области. Одновременно будет иметь место диффузия электронов из n–области в p–область.
рис.1
Процессы диффузии приведут к нарушению электрической нейтральности и увеличению омического сопротивления двойного контактного слоя.
Уход электронов из n–области оставляет за собой избыток положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси, а уход дырок из p–области – отрицательно заряженных неподвижных ионов акцепторной примеси. Кроме того, электроны, перешедшие в p–область, рекомбинируют с дырками p–области, а дырки, перешедшие в n–область, рекомбинируют с электронами (дырки захлопываются электронами) в тонком граничном слое. Это приводит к значительному обеднению основными носителями контактного слоя полупроводника, а, следовательно, к увеличению его омического сопротивления, и увеличению контактного электрического поля до некоторой разности потенциалов φ.
Электрическое поле двойного контактного слоя препятствует дальнейшей диффузии электронов в p–область и дырок в n–область. Преодолеть этот слой могут лишь те основные носители, энергия которых больше еφ.
В примесных полупроводниках, кроме основных (примесных) носителей зарядов, имеется незначительная доля неосновных (собственных) носителей тока: дырки в n–области и электроны в p–области.
Электрическое поле двойного контактного слоя p–n перехода не только не препятствует их диффузии, а наоборот, способствует их переходу. При некоторой контактной разности потенциалов φ на границе p–n перехода устанавливается динамическое равновесие. Поток основных носителей зарядов
уравновешивается обратным потоком собственных носителей
.
Динамическое равновесие устанавливается при выравнивании уровней Ферми в р– и n–областях, что приводит к смещению энергетических зон: уровни n–области опускаются вниз, а уровни р–области поднимаются вверх. Возникает потенциальный барьер для электронов и дырок высотой
.
На рис.2а показаны
энергетические схемы р–
и n–областей
до контакта (
лежит выше
),
а на рис.2б – энергетическая схема этих
областей в термодинамическом равновесии
(уровни Ферми
и
расположены на одной высоте).
рис.2а рис.2б
Р–n переход, при обычных температурах равновесного контактного слоя является запирающим, обладая способностью выпрямлять переменный электрический ток.
Пусть к р–n переходу приложено внешнее прямое напряжение U: плюс к p–области и минус к n–области. В этом случае напряженность внешнего поля Е направлена против напряженности контактного поля Ек, что приводит к уменьшению высоты потенциального барьера (рис.3а) до величины
.
рис.3а рис.3б
Ширина запирающего слоя, а, следовательно, и его сопротивление резко уменьшаются.
При наложении внешнего напряжения в обратном направлении, т.е. плюс к n–области и минус к p–области, внешнее поле совпадает по направлению с контактным полем, что приводит к увеличению потенциального барьера (рис.3б) до величины
.
Ширина запирающего слоя (обедненного носителями тока) и его сопротивление увеличиваются.
При наложении внешнего переменного напряжения ток, обусловленный основными носителями, определяется как
,
а ток не основных носителей не зависит от высоты потенциального барьера и остается постоянным
.
Суммарный ток, текущий через р–n переход, уже не будет равен нулю.
Зависимость результирующего тока через р–n переход от приложенного напряжения
называют уравнением вольт–амперной характеристики р–n перехода.
Знак (+) относится к пропускному направлению, знак (–) – к запорному направлению.
При наложении прямого напряжения сила прямого тока через р–n переход растет по экспоненте
и при незначительном напряжении U<1В достигает большого значения порядка сотен ампер на м2.
При наложении обратного напряжения экспонента
убывает при увеличении U, а скобка
стремится к -1, т.е.
обратный ток стремится к току насыщения
,
который для большинства современных
диодов мал, порядка 10-9А.
График вольт–амперной характеристики р–n перехода показан на рис.4.
Коэффициент выпрямления р–n перехода, т.е. отношение прямого тока к обратному при одинаковой абсолютной величине напряжения может составлять 109 раз, что свидетельствует о том что, р–n переход практически обладает односторонней проводимостью при не очень высоких температурах: обладая большим сопротивлением при наложении обратного внешнего напряжения и малым при наложении прямого напряжения.
рис.4
При повышении температуры и прямое, и обратное сопротивление р–n перехода уменьшаются. Но прямое сопротивление уменьшается не значительно, т.к. концентрация основных носителей увеличивается с температурой мало (доноры и акцепторы почти все ионизированы). Обратное сопротивление с повышением температуры уменьшается быстро, так как зависит оно от концентрации свободных носителей тока, возрастающих с температурой экспоненциально.