2. Описание лабораторной установки

Схема установки приведена на рис.7. Регулируемое постоянное напряжение подается с блока питания на исследуемый светодиод VD. Амперметр А₁ служит для измерения тока через светодиод, а вольтметр V₁ - для измерения напряжения на нем.

Излучение светодиода воспринимается фоторезистором ФР, на который подается постоянное напряжение. Возникающий при этом ток фоторезистора (вследствие фотоэффекта) регистрируется амперметром А₂. Ток фоторезистора пропорционален яркости свечения фотодиода.

3. Порядок выполнения работы

3.1 Экспериментальное исследование характеристик светодиода

1. Собрать электрическую схему (рис.7).

2. Перед началом работы ручка регулятора напряжения должна быть выведена в крайнее положение , соответствующее минимальному выходному напряжению.

3. Задавая значения прямого тока i через 1 мА (до 5 мА), а затем через 4 - 5 мА, измерять прямое напряжение U и ток фоторезистора i_фр,. Результаты занести в таблицу 1.

4 .Построить график зависимости тока светодиода i от U (вольт-амперную характеристику).

5 .Построить график зависимости тока i_фр от тока i светодиода (яркостную характеристику).

Таблица 1

U, В

i, мА

iфр, мА

ln(iфр)

ln(i)

3.2. Определение коэффициента нелинейности яркостной характеристики

1. Вычислить значения ln(i) от ln(i_фр) и занести в таблицу 1.

2. Построить график зависимости ln(i_фр) от ln(i).

Ток через фоторезистор i_фр пропорционален яркости излучения светодиода, тогда из формулы (2) следует:

i_фр = С В^*, (3)

где С- коэффициент пропорциональности.

Ток через фоторезистор i_фр будет зависеть от тока светодиода так же, как и яркость:

i_фр . (4)

Прологарифмируем формулу (4)

ln(i_фр) = ln(С)+ln(B₀)+ ln(i) = ln(A)+ ln(i), (5)

где через ln(A) обозначено выражение ln(C)+ln(B₀).

Из выражения (5) следует, что зависимость ln(i_фр) от ln(i) должна быть линейной. Построив график зависимости ln(i_фр) от ln(i) , из наклона прямой (на участке 1 - 2) найти угловой коэффициент  (рис.8).

5. Записать формулу зависимости яркости В^* от тока i с числовым значением коэффициента .

4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Перечень измерительных приборов с характеристиками этих приборов.

2. Схему измерений.

3. Результаты измерений и расчетов в виде 3 графиков и 1 таблицы.

4. Значения коэффициента  и формулу яркости (2) с числовым значением .

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ и задания

1. Что называется электролюминесценцией?

2. Принцип действия светодиода.

3. Объясните излучение светодиода с точки зрения зонной теории.

4. Устройство светодиода, его особенности и применение.

5. Характеристики светодиода и их объяснение.

6. Как определяется коэффициент ?

7. Электрическая схема, назначение элементов схемы.

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Берг А., Дин П. Светодиоды. - М.: Наука, 1979.- 286 c.

2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – СПб, изд-во”Лань”, 2009.

3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В двух томах . М.: Мир, 1984.

4. Савельев И.В. Курс физики М.:Наука, 1998-99 г. В 5 томах.

5. Агеева О.С., Строганова Т.Н., Чемезова К.С. Элементы квантовой механики и физики твердого тела: электронное учебное пособие, Тюмень, ТюмГНГУ, 2009.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7-7 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТА НА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

Цель работы: изучение фотоэлектрических свойств полупроводников.

Содержание работы:

- снятие вольтамперных характеристик p-n - перехода при различных световых потоках;

- исследование влияния величины светового потока на обратный ток p-n - перехода;

- исследование зависимости фото-э.д.с. от освещенности.

1. Постановка задачи

1.1 Воздействие излучения наp-n– переход и возникновение фото-ЭДС

Электронно-дырочный переход (p-n - переход) образуется на границе между полупроводниками с дырочной (p- типа) и электронной (n- типа) проводимостью. В области p-n - перехода образуются двойной электрический слой неподвижных объемных зарядов и возникает контактное (диффузионное) электрическое поле, препятствующее переходу основных носителей заряда через p-n - переход. Это электрическое поле приводит к изгибу энергетических зон и образованию в области перехода потенциального барьера высотой (q _к). Разность потенциалов _к между p- и n- областями полупроводника в условиях равновесия называется внутренней контактной разностью потенциалов.

При воздействии излучения на объем полупроводника энергия поглощенного фотона h может расходоваться на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости. Происходит генерация электронно-дырочных пар. Увеличение концентрации свободных носителей заряда влечет за собой увеличение проводимости полупроводника, т.е. уменьшение его электрического сопротивления. Способность полупроводника менять свое электрическое сопротивление под действием света получило название фотопроводимости. Неравновесные носители заряда в полупроводнике, появившиеся в результате воздействия световых квантов, называют фотоэлектронами и фотодырками.

Если поглощение квантов излучения происходит вблизи p-n - перехода (или в области p-n - перехода), то под действием контактного электрического поля происходит разделение образовавшихся неравновесных носителей: фотоэлектроны переходят в n- область, а фотодырки в p- область (рис.1).

Перешедшие в n- область фотоэлектроны создают в ней избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, т.е. заряжают n- область отрицательно. Фотодырки заряжают p- область полупроводника положительно.

Процесс накопления неравновесных носителей (электронов в n- , дырок в p- области) сопровождаются снижением высоты потенциального барьера на границе p- и n- областей и увеличением диффузии основных носителей через переход. Наступает динамическое равновесие. При этом между p- и n- областями полупроводника устанавливается некоторая разность потенциалов _ф.

Разность потенциалов _ф, возникшую между p- и n- областями полупроводника в результате воздействия на p-n - переход излучения называют фото-Э.Д.С. может достигать величины  1 В, но не превышает значения, численно равного (Е - ширина запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, q - заряд электрона).

Явление вентильного фотоэффекта используют в различных фотоэлектрических приборах. Фотоэлектрический прибор с электронно-дырочным переходом может работать в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы прибора с внешним источником питания называют фотодиодным, а без внешнего источника - режимом генерации фото-Э.Д.С.