Примесные полупроводники

В примесных полупроводниках проводимость обеспечивается за счёт введения примесей.Введём в кристалл 4х-валентного Si примесь 5-ти валентного фосфора Р. Четыре электрона Si образуют с четырьмя электронами Р прочные (ковалентные) связи, а пятый электрон оказывается слабо связанным. Под действием теплового движения он легко отрывается от этого атома и становится свободным, являясь основным носителем тока. Такую примесь называют донорной, а полупроводник n- типа (от слова negative, что означает, что носители тока имеют отрицательный заряд).

Введём теперь в четырёхвалентный Si примесь трёхвалентного бора В. Для образования связей с четырьмя соседями у атома В не хватает одного электрона, который бор отбирает от соседних атомов Si, где образуется «дырка» - носитель положительного заряда. Такая примесь называется акцепторной, а полупроводник р-типа (от слова positive, так как дырки несут положительный заряд).

Содержание атомов примеси обычно не превышает процента, но именно они обеспечивают n- или p - проводимость в примесных полупроводниках.

Контакт р- и n- полупроводников

Возьмем пластинку n– и р- полупроводников (рис. 4а). Пластинки электрически нейтральны, так как заряд основных носителей (электронов или дырок) уравновешивается противоположным зарядом ионов примеси. Приведём пластинки в контакт. В результате диффузии часть электронов перейдёт в р-, а дырок – в n –полупроводник (рис. 4б). Из-за диффузии дырок n - полупроводник вблизи контакта зарядится положительно (+), а из-за диффузии электронов

р - полупроводник вблизи контакта зарядится отрицательно (-). Это означает что в области n-p -контакта возникает электрическое поле Е_З, которое называют запирающим полем. На рис. 4б,в область n-p -контакта отмечена серой краской, указано также направление вектора запирающего электрического поля Е_З.

Вентильный фотоэлемент

Содержание легирующие элементов, обеспечивающих р- и n- проводимость в примесных полупроводниках, обычно не превышает процента. Остальные атомы являются собственными полупроводниками. Если область вблизи р-n- перехода осветить светом с энергией hn ≥ Е_g, то в собственном п/проводнике возникнут свободные электроны и «дырки», как это показано на рис. 3. Это не основные носители зарядов. Находясь в зоне действия запирающего электрического поля Е_З, возникшие дырки (+е) по действием кулоновских сил будут двигаться по направлению, а электроны (-е)– против направления поля Е_З (рис. 4в). Таким образом, на p-n-контакте происходит разделение зарядов: n-полупроводник заряжается отрицательным, а р-полупроводник - положительным зарядом. В результате между n- и р -полупроводниками возникает разность потенциалов. Если цепь замкнуть, то по ней потечёт электрический ток. Рассмотренное устройство, которое назвали вентильным фотоэлементом, позволяет непосредственно преобразовывать энергию света в энергию электрического тока. Вентильные фотоэлементы лежат в основе работы солнечных батарей, которые обеспечивают электрической энергией спутники, космические станции.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И УСТАНОВКИ

В данной работе используется селеновый вентильный фотоэлемент. Запирающее поле Е_З формируется на контакте собственного полупроводника селена с металлом (на пластинку селена напылена пленка золота). В результате диффузии свободных электронов металла в селен в области контакта возникает запирающее поле, вектор Е_З которого направлен от металла к селену. При освещении селена (собственного полупроводника) светом в нём появляются свободные электроны и дырки, которые полем запирающего слоя Е_З перемещаются таким образом, что селен заряжается положительным, а металл - отрицательным зарядом. Таким образом, на освещенном вентильного фотоэлементе появляется разность потенциалов (напряжение). Вентильные фотоэлементы с запирающим слоем обладают более высокой чувствительностью к световому потоку, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Различают интегральную и спектральную чувствительность фотоэлемента. Интегральной чувствительностью γ фотоэлемента называется отношение силы тока, даваемого фотоэлементом, к величине падающего на него светового потока во всём интервале длин волн:

 γ = i / F (1)

где i – сила фототока, F – световой поток. Интегральная чувствительность выражается в микроамперах на люмен. Если предположить, что фотоэлемент освещается лампой накаливания, то световой поток от лампы можно представить в виде:

F = ES (2)

где E – освещенность фотоэлемента, площадь которого S. Если считать лампу накаливания, освещающую фотоэлемент, точечным источником света, то освещенность фотоэлемента от лампы:

E = I / r² (3)

где I – сила света лампы, r – расстояние от лампы до фотоэлемента.

Принимая во внимание (2) и (3), получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:

(4)

Здесь i - фототок и r – расстояние от лампы до фотоэлемента могут быть легко измерены, а I - сила света лампы и S – площадь фотоэлемента обычно известны.

Спектральной чувствительностью γ_λ фотоэлемента называется отношение силы тока даваемого фотоэлементом, к величине падающего на него светового потока в узком интервале длин волн:

γ_{λ =} i/F_λ . (5)

Здесь F_λ – световой поток в узком интервале длин волн от λ до λ + d λ.

Световой поток с узким интервалом длин волн от λ до λ + d λ можно получить, если белый свет от лампы накаливания пропустить через соответствующий светофильтр, например, красный, зелёный и т.д.

Фотография установки для изучения интегральной и спектральной чувствительностей селенового вентильного фотоэлемента приведена на рис. 5.

2

4

1

3

8

6

6

1

5

Рис. 5

На подвижных стойках 1 оптической скамьи размещены в кожухах электрическая лампа 2 и вентильный фотоэлемент 3. На кожухе фотоэлемента закреплён диск 4 с набором светофильтров. В основании подвижных стоек закреплены визиры, с помощью которых, а также линейки 5 можно измерять расстояние между лампой накаливания и фотоэлементом

Напряжение, подаваемое на лампу накаливания и измеряемое вольтметром 6, устанавливается с помощью регулятора напряжения 7. Сила фототока измеряется микроамперметром 8.