МУ-Ф-2А (1003889), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Если в слой объемных зарядов влетает неосновной носитель, то контактноеполе "подхватывает" его и "перебрасывает" в другую область (на рис. 1 неосновные носители"скатывавтся" вниз с потенциального барьера). Основные носители, наоборот, должны"взобраться" на барьер, чтобы пройти через переход. Для этого они должны обладатькинетической энергией, превышающей высоту барьера; доля таких частиц очень мала.За положительное направление тока через ЭДП принято направление движенияположительного заряда из р-области в n-область; следовательно, это ток основных носителей(электронов и дырок).
Тогда ток неосновных носителей будет отрицательным, обозначим его -Is.Высота потенциального барьера ∆Е=q∙Uk автоматически устанавливается такой, чтобы суммарныйток через переход основных и неосновных носителей был равен нулю; следовательно, токосновных носителей также равен Is (со знаком "плюс").
Такое состояние ЭДП называетсяравновесным. Легко понять, что если нет равенства токов, то высота барьера изменяется в такомнаправлении, чтобы равенство токов возникло. Равновесная высота барьера примерно равна(точнее, немного меньше) ширине запрещенной зоны полупроводника, т.е. около 1 эВ для ЭДП изкремния и несколько меньше для германия.Итак, в равновесии суммарный ток через переход равен нулю:I = -Is + Is =0.Каждый неосновной носитель, подошедший близко к потенциальному барьеру, "скатывается" снего и проходит через контакт; и только один из миллиона основных носителей (в нашем примереих в 106 раз больше), налетевших на барьер, способен его преодолеть.
В результате суммарный токчерез переход будет равен нулю.5ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАЕТЕРИСТИКА ИДЕАЛЬНОГО ЭДПДля включения ЭДП в электрическую цепь на кристалл с обеих сторон наносят специальноизготовленные контакты, которые не обладают вентильным свойством и имеют малоесопротивление. В результате получают полупроводниковый диод. К диоду можно подключитьисточник напряжения U, при этом через диод будет протекать ток I. Зависимость I(U) называютвольт-амперной характеристикой ЭДП (диода).
Рассмотрим элементарную теорию, описывающуюпроцессы в диоде при ряде упрощений реальной картины.В зависимости от значения питающего напряжения и полярности источника изменяется высотабарьера в ЭДП при неизменной полярности двойного слоя зарядов. Поскольку неосновныеносители "скатываются" с барьера, ток неосновных носителей остается постоянным приизменениях высоты барьера. Ток основных носителей, которые "взбираются" на барьер, оченьчувствителен к его высоте: при повышении барьера он быстро уменьшается до нуля, а припонижении барьера может возрасти на несколько порядков. Чтобы получить зависимость тока отнапряжения, необходимо знать энергетический спектр частиц.
В целом эта зависимость довольносложная, но для описания процессов в ЭДП необходимо знать только самую "энергетическую"часть спектра, "хвост" распределения, поскольку в практических случаях только самые быстрыечастицы способны преодолеть барьер. Спектр таких быстрых электронов экспоненциальный, т.е.концентрация электронов проводимости с энергией больше, чем Е, убывает с энергией по законуN(≥E)=B exp(-E/(kT)),(3)Где B – постоянная (точнее, слабо зависит от температуры).
Дырки имеют такой жеэнергетический спектр.Если "плюс" источника напряжения U соединить с n-областью, а "минус" - с р-областью, товысота барьера увеличится на qU. В этом случае говорят, что к диоду приложено обратноесмещение (рис. 2в). В соответствии с энергетическим спектром (3), число основных носителей,преодолевающих более высокий барьер, уменьшится наexp(-qU/(kT), поэтому полный ток через переход станет равнымI=-Is+Isexp(-qU/(kT)).(4)Если изменить полярность источника на противоположную, то высота барьера уменьшится наqU по сравнению с равновесной, а ток основных носителей возрастет (случай прямого смещения,рис.
2б).При этом полный ток будет равенI=-Is+Isexp(qU/(kT)).(5)6Рис.2При прямом смещении ток протекает в положительном направлении (см. выше), а приобратном смещении направление тока изменяется. Напряжению U припишем знак "плюс" припрямом смещении и "минус" при обратном смещении. Тогда формулы (4) и (5) можно объединитьи получить зависимость, описывающую вольт-амперную характеристику идеального электроннодырочного перехода,I=Is (exp(qU/(kT))-1).(6)Теоретическая вольт-амперная характеристика р-n-перехода, рассчитанная по формуле (6) прикомнатной температуре T = 295 К, представлена на рис.3 и в таблице (напряжение U в вольтах).Зависимость I от U обладает резко выраженной нелинейностью, т.е.
проводимость (илисопротивление) р-n-перехода сильно зависит от U. При обратном смещении через переход течетток Is неосновных носителей, называемый током насыщения, который обычно мал и почти независит от напряжения. При изменении знака напряжения U значение тока через переход можетизменяться в 105...106 раз при небольшом изменении напряжения.
Благодаря этому р-n-переходявляется вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов.Рис. 3U-0,15-0,10-0,05-0,03-0,02-0,01I/Is-0,997-0,980-0,86-0,69-0,54-0,33U00,010,020,030,040,05I/Is00,481,202,253,86,2U0,060,070,080,090,100,11I/Is9,61522345075U0,120,130,140,150,200,30I/Is11116524536426001,34 105Как видно из формулы (6), ток насыщения задает масштаб по оси I вольт-ампернойхарактеристики.
Значение Is пропорционально площади перехода, концентрации неосновныхносителей и их скорости хаотического движения. Учитывая формулу (2), получаем следующуюзависимость тока насыщения от ширины запрещенной зоны Eg и температуры:Is =C exp(-Eg/(kT)),(7)7где С- коэффициент пропорциональности, не зависящий от Eg и Т. Экспоненциальный множительв (7) определяет сильную зависимость тока как от температуры, так и ширины запрещенной зоны.При увеличении Eg, например при замене германия кремнием, ток Is уменьшается на несколькопорядков, кремниевые диоды почти не пропускают ток в обратном направлении; как следствие,изменяется ВАХ при прямом смещении (качественно эти изменения отражены на рис. 4).
Токнасыщения возрастает при нагревании; например, для германия расчет по формуле (7) даетувеличение тока в 80 раз при нагревании от комнатной температуры на 60'С (от 295 до З55 К).Изменения ВАХ при нагревании показаны на рис. 4.Рис. 4Из опыта, в котором измерен ток насыщения при различной температуре, можно найтизначение Eg . Полученную зависимость следует сравнить с формулой (7), которуюлогарифмированием преобразуем к видуLn(Is/Is1)=(Eg/k)(1/T1-1/T),(8)где Is1 - ток при Фиксированной (комнатной) температуре T1. По результатам измерений строитсязависимость Ln(Is/Is1)от 1/Т, схематически показанная на рис.5 точками.
Если точки ложатся напрямую, то опыт подтверждает экспоненциальную зависимость тока от обратной температуры.Для получения значения Eg используются полученный график и формула (8), численное значениепостоянной Больцмана k = 1,38 10-23 Дж/К.Рис. 5ЭДП В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМНИКА СВЕТА (ФОТОДИОД)Свет может разорвать электронную связь в полупроводнике, образуя электрон проводимости идырку (на зонной диаграмме электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости). При8этом концентрация носителей (и проводимость полупроводника)становитсябольшеравновесной. Такой процесс называется внутренним фотоэффектом (в отличие от внешнегофотоэффекта при внутреннем фотоэффекте электрон не вылетает наружу).
Разрыв электроннойсвязи осуществляется одним квантом света (фотоном), энергия которого Еф =hν(ν - частота света,h - постоянная Планка) должна превышать значение Еg. Следовательно, у внутреннегофотоэффекта имеется "красная граница": частота излучения должна превышать ν0=Eg/h, а длинаволны быть меньше, чем λ0=с/ν0. Для кремния λ0 = 1,1 мкм, что больше, чем длина волнывидимого света (примерно от 0,4 до 0,7 мкм).При освещении р-n-перехода образуются дополнительные электронно-дырочные пары.
Придостаточном освещении они могут существенно увеличить концентрацию неосновных носителей,которых было мало, практически не изменяя в процентном отношении количество основныхносителей. При этом к существовавшему в темноте току неосновных носителей –Is добавляетсяфототок –Iф, протекающий в том же направлении. Добавим в формулу (6) фототок и получимвыражение для ВАХ освещенного р-n-переходаI= Is(еqU/(kT)-1)-Iф .(9)Из (9) видно, что ВАХ освещенного р-n-перехода (кривая 1 на рис. 6) получается сдвигом кривой2 для неосвещенного перехода вниз на значение Is. Если на р-n-переход подать обратное смещениебольше 1 В, ток основных носителей прекратится, останутся ток насыщения -Is и фототок -Is (вформуле (9) при этом экспоненциальный член обратится в ноль): I=-Is-Iф. Опуская знаки "минус",выразим из последней формулы фототок:Iф = I - Is.(10)Рис.
6Фототок равен разности тока и тока Is называемого в данном случае темновым током. Придостаточно большой освещенности темновой ток может составлять пренебрежимо малую долюполного тока. Электронно-дырочный переход, специально изготовленный для детектированиясвета и работающий при обратном смещении, называется фотодиодом. Это простой и удобныйприемник света, фототок которого пропорционален освещенности Е.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОИ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАВОТЫ9Ниже приведено краткое описание установок, изготовленных в двух вариантах, и опытов.Подробные указания можно найти в приложениях к установкам.Вариант 1.
Упрощенная схема, в которой не показаны переключатели, дана на рис.7. Диод Д(кремниевый или германиевый) через резистор R подключен к источнику постоянногонапряжения (ИП), изменяемого от 0 до 15 В. Переменный резистор R1 также используется дляизменения напряжения на диоде. Цифровым вольтметром с большим сопротивлением измеряютнапряжения U на диоде и UR на известном сопротивлении R для вычисления тока I= UR/R.
Дляизмерения малых токов устанавливают большое сопротивление.рис. 7Два диода, нагреватель и один спай термопары плотно закреплены на металлической пластине,расположенной в камере с крышкой. Для опытов со светом защитная оболочка кремниевого диодаудалена, и при открытой крышке р-n-переход можно осветить лампой. Для измерениятемпературы диодов служит термопара (см. рис. 7). Она состоит из двух металлическихпроводников - медного и константанового (специальный сплав), спай которых находится втепловом контакте с диодами при измеряемой температуре T. Другие концы проводов соединеныо вольтметром, они имеют комнатную температуру T = 295 К.
Когда температуры T и T1различны, в цепи возникает термоЭДС UT, пропорциональная разности температур и измеряемаявольтметром. Температуру диодов в кельвинах можно вычислить по формулеT=295+24,4 UT(11)где напряжение UT следует взять в милливольтах.Вариант 2. Диод Д через измерители силы тока подключен к источнику постоянногонапряжения ИП (рис. 8).Рис. 8Сила тока I и напряжение U на диоде регулируются потенциометром R1 ("Регулировка тока™).Для измерения тока в широком диапазоне его изменений служат два прибора - миллиамперметрmA на 250 мА и микроамперметр µА на 50 мкА, к которому с помощью переключателя П("Амперметры") можно подключить шунты Rш для увеличения пределов измерения.
В положении1 переключателя шунта нет, множитель показаний микроамперметра "х1", сопротивление прибораRА = 1800 Ом; в положении 2 - множитель "х10", сопротивление 180 Ом; в положении 3 - "х100",10сопротивление 18 Ом. При работе с миллиамперметромпереключательнадоустановить в положение 4 (т.е. закоротить микроамперметр).С помощью вольтметра U находят напряжение U на диоде. В положении 4 переключателя П,когда вольтметр непосредственно подключен к диоду, измерения значения U не нуждаются впоправке. В других случаях, когда в цепь включен микроамперметр, напряжение на диоде находятпо формулеU= UB -IRА,(12)где UB и I - показания вольтметра и микроамперметра соответственно.Задание 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
