1.2. Вольт-амперная характеристика
Зависимость тока через p-n – переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой.
Уравнение вольт-амперной характеристики p-n - перехода при воздействии на него квантов света можно записать в виде:
,
(1)
где U – внешнее напряжение, приложенное к p-n - переходу; i0 - значение, к которому стремится обратный ток p-n - перехода при увеличении обратного напряжения при отсутствии освещения; iф - фототок, т.е. ток, созданный возбужденными светом носители.
На рис.2 приведены вольт-амперные характеристики p-n - перехода, при различных световых потоках Ф. При отсутствии освещения Ф = 0, iФ = 0 и вольт-амперная характеристика проходит через начало координат, т.е. имеет обычный для p-n-перехода вид. Кривые, соответствующие определенным световым потокам Ф1, Ф2, смещаются по оси ординат на отрезки - iФ1, - iФ2 соответственно.
При достаточно больших прямых напряжениях ток через переход определяется слагаемым в выражении (1), содержащим экспоненциальный множитель:
(2)
и практически не зависит от величины падающего светового потока (участок кривой аb). При достаточно больших обратных напряжениях (участок dc вольт-амперной характеристики) экспоненциальный член становится пренебрежительно малым; величина обратного тока равна:
iобр = i0 + iф (3)
Выражение (3) позволяет определить величину фототока через переход.
1.3. Применение вентильного фотоэффекта. Фотоэлементы и фотодиоды
На основе явления вентильного фотоэффекта в полупроводниках созданы фотоэлектрические приборы (фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры). Они используются для измерения световых потоков, в качестве светоуправляемых полупроводниковых реле, элементов памяти электронных схем. Особое значение занимает применение фотоэлементов с p-n - переходом для прямого преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи). Матричные солнечные батареи, представляющие собой пластинку кремния с большим количеством (до нескольких тысяч) микрофотоэлементов используются в качестве источников энергии для питания радиоаппаратуры на космических кораблях и искусственных спутниках Земли.
Простейшим фотоэлектрическим полупроводниковым прибором, содержащим один p-n - переход, является фотодиод. В конструкциях фотодиодов предусмотрено окно, через которое свет попадает на область p-n - перехода.
2. Описание лабораторной установки
Электрическая схема установки приведена на рис.4. Фотодиод VD присоединен к переключателю П1. Переключатель П2, назначение которого - задавать требуемую полярность напряжения на фотодиоде, присоединен к регулируемому источнику питания ИП. В положении “Пр” обоих переключателей на фотодиод подается прямое напряжение и измеряется прямой ток. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики снимается с помощью миллиамперметра А1 и милливольтметра V1. В положении “Обр” обоих переключателей на фотодиод подается обратное напряжение и измеряется обратный ток. Для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики используется микроамперметр А2 и вольтметр V2.
Для освещения поверхности фотодиода в качестве источника использована лампочка накаливания. Оптическая схема установки приведена на рис.4.
Параллельный пучок световых лучей создается с помощью источника, помещенного в фокусе линзы Л1, проходит через круглое отверстие диафрагмы Д и собирается в фокусе линзы Л2, где помещен фотодиод VD. Световой поток, падающий на поверхность фотодиода, пропорционален площади отверстия диафрагмы, т.е. квадрату его диаметра. Изменение освещенности поверхности фотодиода достигается регулировкой величины отверстия диаграммы.