Методичка_3_final

51

Диффузия дырок происходит в обратном направленииот р к n. В результате образуется двойной электрический слойизбыточный положительный заряд в n-области (т.к. электроны ушли) и избыточный отрицательный заряд в р - области (рис. 26 а). Образующееся при этом электрическое поле, направленное от n к р, препятствует дальнейшему движению электронов и дырок.

С точки зрения энергетических уровней при определенной толщине n-р перехода наступает равновесное состояние, при котором выравниваются уровни Ферми для обоих полупроводников (см. рис. 26 б).

В области n-р перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. В состоянии равновесия небольшому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, в результате чего течет ток Iосн.

Этот ток компенсируется током неосновных носителей, которые легко “скатываются” с потенциального барьера. Величина Iнеосн. от высоты потенциального барьера не зависит, а Iосн. существенно растет при

уменьшении потенциального барьера, когда к переходу не приложено

напряжение Iосн. = Iнеосн.

Когда внешнее напряжение подключено плюсом к р - области, а минусом к n-области (прямое напряжение; см. рис. 26 в), высота потенциального барьера уменьшится и ток Iосн. возрастет, а ток Iнеон. практически не изменится. В итоге результирующий ток быстро нарастает. При обратном напряжении, когда плюс подключен к n-области (см. рис. 26 г), потенциальный барьер увеличивается и ток основных носителей уменьшается. Результирующий ток обратного направления быстро достигает насыщения и будет определяться слабым током Iнеосн. Таким образом, n-р переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Это объясняется тем, что поле, возникающее при наложении обратного напряжения, “оттягивает” основные носители от границы между областями, что увеличивает ширину переходного слоя, обедненного носителями заряда. Т.е. n-р переход обладает односторонней проводимостью.

Фотопроводимость полупроводников

Как уже отмечалось, в полупроводниках электроны попадают из валентной зоны в зону проводимости, получая необходимую энергию ∆Е для преодоления запрещенной зоны под действием внешних факторов. Одним из таких факторов является энергия поглощенных световых фотонов hν.

В случае чистого полупроводника собственная фотопроводимость (т.е. увеличение числа электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне) возникает, когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны hν ≥ ΔΕ , т.е. у этого внутреннего фотоэффекта существует красноволновая граница λ0 = c h ΔΕ (рис. 27 а).

Если проводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать (см. рис. 27 б) и при больших длинах волн (меньших частотах). Для донорного полупроводника (n-типа) энергия фотона должна быть больше лишь энергии

52

Рис. 27

активации ∆Еn , чтобы перевести электроны с донорных уровней D в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (∆Еn=∆ЕD) (рис. 27 в). В результате возникает примесная фотопроводимость, красноволновая граница для которой находится, как правило, в инфракрасной области λ0 = c h ΔΕn .

Описание установки и метода измерений. Электрическая схема установки для снятия вольтамперной характеристики полупроводникового диода представлена на рис. 28.

Рис. 28 Диоды Д1 и Д2 служат для преобразования переменного тока в постоянный,

при этом с помощью переключателя К1 можно подавать на исследуемые диоды Д3 (германиевый) и Д4 (кремниевый) напряжение как в прямом (проводящем) направлении, так и в обратном (закрытом) направлении. Переключатель К2 позволяет исследовать электрические свойства диодов Д3 и Д4 каждый по отдельности.

Порядок выполнения работы.

53

1.Выводят потенциометр R в крайнее левое положение. Включают в сеть переменного тока макет, источник питания, вольтметр В7-27 и амперметр Щ4300. Переключатель К1 ставят в положение “Пр”- прямой ток, переключатель К2- в положение Ge.

2.Изменяя потенциометром R напряжение на исследуемом диоде, измеряют силу тока в цепи, используя на вольтметре диапазон 1В, на амперметре-20 мА. Напряжение увеличивают с шагом 0.05 В до достижения максимального значения. Результаты измерений заносят в таблицу.

Прямой ток

U, В	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3	0.35	…
I, mA

3. Переводят переключатель К1 в положение “Обр.”- обратное (закрытое) направление. Измеряют силу тока через диод при значениях напряжения, указанных в таблице, используя на вольтметре диапазон 10В, на амперметре200 мкА-2 мА:

Обратное направление тока

U, В	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10
I,мкА

4.Переводят переключатель К2 в положение Si и проводят измерения, описанные в пунктах 2 и 3, для кремниевого диода.

5.Строят вольтамперные характеристики двух диодов на одном графике: напряжениепо оси X, сила токапо оси Y.

6.Вычисляют дифференциальное сопротивление диодов при напряжениях

U1=0.3В и U2=-10В.

7.Составляют заключение по работе, в котором проводят сравнительный анализ вольтамперных характеристик кремниевого и германиевого диодов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Объясните явления, происходящие в зоне р-n перехода.

2.Как изменяется положение зоны проводимости и валентной зоны при включении диода в прямом и обратном направлениях?

3.Начертите и объясните зонные схемы донорных и акцепторных полупроводников.

4.Объясните поведение уровня Ферми в донорных и акцепторных полупроводниках.

5.Чему равна ширина энергетического интервала между подуровнями в чистом кристалле, содержащем 0,17 моля простого вещества при ширине запрещенной зоны Е = 10 эВ?

6.При какой температуре концентрация донорных носителей в кристалле уменьшается в два раза по сравнению с комнатной температурой, если донорный уровень находится на 0,012 эВ ниже зоны проводимости?

54

РАБОТА 7

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Приборы и принадлежности: фотосопротивление ФСК-1, вольтметр, амперметр, набор светофильтров, источник тока, оптическая скамья с источником света и держателем фотосопротивления.

Цель работы: снятие вольтамперной характеристики фотосопротивления, изучение его интегральной чувствительности и

спектральных характеристик.

Описание установки и метода измерений. Измерительная установка (рис. 29) состоит из источника света 1 на подвижном штативе (лампа накаливания с силой света I = 21 Кд); фотосопротивления (ФС) 2; микроамперметра, вольтметра, потенциометра R для регулирования напряжения на фотосопротивлении, источника постоянного тока ε, выключателя К и набора светофильтров 3.

Рис. 29

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Снятие вольтамперной характеристики фотосопротивления.

1.Ручку потенциометра R поворачивают влево до упора; включают блок питания в сеть.

2.Ручкой “регулятор напряжения” устанавливают на блоке питания напряжение 30В. Переключатель К переводят в положение “вкл..”

3.При выключенном источнике света снимают зависимость темнового тока

iT от напряжения (с шагом 2.5 В) на ФС. Результаты измерений заносят в таблицу 1.

4.На оптической скамье устанавливают источник света на расстоянии r1 от фотосопротивления. Включают источник света, убедившись, что ручка потенциометра R повернута против часовой стрелки до упора.

5.При неизменной освещенности Е, подавая на ФС те же значения напряжения, что и для темнового тока, измеряют значения силы тока i C и

записывают в таблицу 1.

6. Используя формулу iФ = iC - iT , рассчитывают силу фототока iФ.

55

7. Снимают вольтамперную характеристику ФС еще для двух значений расстояния r2 = 33 см, r3 = 23 см.

Таблица 1

U, B		2.5	5.0	7.5	10	12.5	…	30.0
iT , μA
r1	iC , μA
r2 iC , μA
r3	iC , μA
r1	iФ , μА
r2 iФ , μА
r3	iФ , μА

8. По рассчитанным значениям iФ строят график зависимости фототока от напряжения.

Задание 2. Определение удельной интегральной чувствительности фотосопротивления (ФС).

1. Рассчитывают значения светового потока Ф, создаваемого точечным источником света с силой света I, для трех положений источника света r1 = 43

см, r2 = 33 см, r3 = 23см.

Освещенность поверхности ФС прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от него до освещаемой поверхности:

Ε = Ι . r 2

С другой стороны, освещенность Е – это величина, равная световому потоку Ф, приходящемуся на единицу площади S поверхности, нормальной к направлению световых лучей:

Ε = ΦS .

Приравнивая выражения для Е, получаем, что

Φ = Ι S . r 2

Площадь светочувствительной поверхности фотосопротивления S = 0.3 см2. Для монохроматического света фототок

iФ = К0 · Ф · U,

где К0 – удельная интегральная чувствительность фотосопротивления, U – напряжение на ФС.

Расчет К0 проводится для значений U = 15В и I = 21Кд, а значение iФ берется из табл.1 для r1, r2, r3. Результаты расчета Ф и К0 заносятся в таблицу 2.

		Таблица 2		К0
r	iФ		Ф
43см
33см
23см

56

Задание 3. Исследование спектральных характеристик ФС.

1.Источник света ставят в положение r2 = 33 см.

2.Ручкой потенциометра устанавливают напряжение 15В.

3.Вставляя поочередно каждый светофильтр в гнездо, расположенное на источнике света, замеряют фототок iФ и записывают в табл. 3.

4. Строят график зависимости силы фототока iФ от длины волны света. Таблица 3

	λ1,	λ2,	λ3,
	мкм	мкм	мкм
iс,
мкА
iс,
мкА

Теоретически величина фототока должна почти не зависеть от длины волны света вплоть до некоторой максимальной λ-красной границы фотоэффекта, определяемой условием:

∆Е=h*c/λk

или

λr=h*c/∆E.

Однако на практике фототок начинается при длинах волн несколько больших λk, что связано с существованием в полупроводниках донорных примесей. Перевод электронов с донорного уровня в зону проводимости требует меньшей энергии, чем из валентной зоны. Величина λk может быть найдена из графика іφ =ƒ*(λ) как точка пересечения кривой с осью абсцисс.

5. Написать заключение по работе, в котором дать сравнительную характеристику кривых ФС при различных значениях r, привести значения и погрешности удельной интегральной чувствительности ФС, дать оценочное значение красной границы фотоэффекта.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чём заключается физическая сущность внутреннего фотоэффекта?

2.Дать определения основных характеристик ФС.

3.Чем обусловлен темновой ток?

4.Каким образом определяется сопротивление ФС по вольтамперной характеристике?

5.Что такое красная граница фотоэффекта?

6.Найти ширину запрещенной зоны полупроводника, если его красная граница фотоэффекта λk=6500A.

57

РАБОТА 8 ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НАМАГНИЧИВАНИЯ

ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Приборы и принадлежности: источник переменного тока, тор из исследуемого ферромагнетика с намотанными на него двумя катушками, амперметр, интегрирующая RC-ячейка, сопротивление, осциллограф.

Цель работы: Изучение динамической петли магнитного гистерезиса; снятие кривой намагничивания и определение основных характеристик ферромагнетика - коэрцитивной силы, магнитной проницаемости, потерь энергии при перемагничивании.

Описание установки и метода измерений. Схема измерительной установки приведена на рис. 30.

рис. 30

От источника питания (генератора ГЗ) на намагниченную катушку N1 тороида из ферромагнетика Т подается регулируемое напряжение. Через намагниченную катушку N1 проходит переменный ток I 1 , измеряемый амперметром А. В эту цепь включен резистор R1, с которого на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа подается напряжение U 1 , пропорциональное силе тока I 1 , а, следовательно, и напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой:

H =n I 1 ,

где n -плотность витков намагничивающей катушки N1.

Величина индукции магнитного поля в магнетике определяется формулой

		B =μ μ 0 H ,
где	μ 0 –	магнитная	проницаемость	вещества,
μ=4π10 −7 Гн/ м=12.566*10 −7 Гн/ м – магнитная постоянная,				μ - магнитная
проницаемость среды относительно вакуума.
Магнитная индукция		B вычисляется по напряжению U 2 ,		подаваемому на

вертикальные отклоняющие пластины осциллографа.

58

Следуя теории электромагнетизма, можно получить формулу, связывающую величину индукции магнитного поля B и напряжение U 2 , подаваемое на вертикально отклоняющие пластины осциллографа:

B = − R2C U2 .

SN2

Таким образом, подаваемые на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины осциллографа сигналы пропорциональны напряженности магнитного поля H и индукции B .

В формуле N 2 – число витков в измерительной катушке, S – площадь витка, R 2 - сопротивление резистора, C – емкость конденсатора.

Наблюдаемая на экране осциллографа кривая является петлей гистерезиса, но масштабы ее по осям X и Y различны. Для того, чтобы придать ей количественный смысл, необходимо произвести калибровку горизонтального и вертикального каналов осциллографа.

Калибровка по горизонтальной оси проводится при закороченной обмотке N1, которая искажает синусоидальную форму тока и мешает проводить правильную калибровку.

При закороченной обмотке цепь нагружена только активным сопротивлением R1 и амперметр измеряет эффективное значение тока

I эфф = I1 2

Зафиксировав величину эффективного тока, определяют масштаб mx:

mx =	2 2Iэфф	,
	lx[

где l x – длина горизонтальной черты на экране осциллографа

Калибровка вертикальной оси осциллографа осуществлена с помощью внутреннего калибратора напряжения и в масштабе оси Y приведена на установке.

Таким образом, расчетная формула для H будет:

H = n m2xlx ,

а для B :

B= R2C myly . N2S 2

Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса, которое заключается в следующем.

59

B

2 1

3 6

0 H

4 5

рис. 31

Первоначальное намагничивание (рис. 31) происходит нелинейно по кривой 0-1. В точке 1 наступает ферромагнитное насыщение (дальше B будет расти с увеличением H очень слабо - за счет парамагнитного эффекта внутри доменов). При уменьшении H размагничивание происходит по кривой 1-2. Когда H достигнет нуля (точка 2) намагниченность не исчезает. Отрезок 0-2 характеризует остаточную индукцию B ост . Здесь проявляется необратимость

перестройки доменной структуры, препятствующая движению доменов к первоначальному хаотическому расположению магнитных моментов – полному размагничиванию. Для того чтобы достигнуть полного размагничивания, необходимо приложить поле H к обратного направления. Величина H к , необходимая для полного размагничивания, определяется отрезком 0-3, называется коэрцитивной силой.

Порядок выполнения работы

1.Разомкнуть тумблер К (рис. 30).

2.Включить питающее напряжение осциллографа и генератора.

3.С помощью рукояток генератора и ручек усиления сигналов осциллографа добиться того, чтобы на экране осциллографа была видна петля гистерезиса, занимающая рабочую часть экрана осциллографа.

Внимание После произведенной регулировки ручки осциллографа не трогать!

4.Записать в таблицу расстояния l x и l y между крайними точками петли

гистерезиса (точки 1 и 4 на рис. 2).

5. Зарисовывать с экрана осциллографа петлю гистерезиса точно по делениям.

l x в дел.	l y в дел.	H А/ м	B Тл

60

6. С помощью тумблера К закоротить питающую обмотку N1 и откалибровать горизонтальную ось осциллографа. При этом на экране должна наблюдаться прямая горизонтальная линия. Записать значение l x , а по

амперметру – эффективное значение тока I эфф .

7.Вычислить масштаб m x (масштаб m y указан на панели осциллографа).

8.По значениям l x и l y таблицы и формулам (5) и (6) вычислить значения H

иB .

9.Построить графики зависимости B от H .

10.Определить величину коэрцитивной силы H к в (А/м) и остаточной

индукции B ост в Теслах.

11. Вычислив площадь петли гистерезиса, определить потери энергии при перемагничивании по формуле:

W = ∫B dH .

Эта формула как раз и определяет площадь фигуры внутри петли гистерезиса, рис. 32.

Рис. 32 Площадь легко вычисляется на экране осциллографа по сетке квадратов.

12. Ошибки измерений определяют по минимальным делениям вертикальной и горизонтальной шкалы осциллографа.

Контрольные вопросы.

1.Как классифицируются вещества по магнитным свойствам?

2.В чем особенности намагничивания ферромагнетиков?

3.Как объяснить явление гистерезиса?

4.Что характеризует площадь петли гистерезиса магнетика?

5.Что такое коэрцитивная сила и остаточная намагниченность?