3 физика твердого тела

электрически активным, она называется красной границей фотопроводимости

Для собственных полупроводников красная граница фотопроводимости λ0 приходится на видимую часть спектра, для примесных – на инфракрасную.

Наличие свободных электронов, способных перемещаться по полупроводнику, является лишь необходимым условием появления проводимости или фотопроводимости.

Внешнее воздействие (электрическое поле, нагревание, облучение светом, бомбардировка различными частицами и т. д.) стремится изменить энергию электрона, перевести его в новое квантовое состояние с бóльшей энергией. Такие переходы могут осуществляться не только между зонами, но и внутри зоны, если имеются незанятые состояния, т. е. если зона не полностью заполнена электронами. В этом случае, если к полупроводнику приложено внешнее электрическое поле, появляется преимущественное движение электронов (против поля) даже внутри валентной зоны, что и наблюдается в полупроводниках p-типа, легированных акцепторными примесями.

Если валентная зона заполнена электронами полностью, то внешнее электрическое поле не в состоянии изменить характер движения электронов в

1электроды 3. Схема включения фотосопротивления в цепь приведена на рис. 5.1.

31

5.3.Порядок выполнения работы

1)Установить на оптической скамье фотосопротивление и источник света и собрать электрическую цепь, схема которой приведена на рис. 5.1.

2)По согласованию с преподавателем установить на фотосопротивлении значение напряжения U и, закрыв фотосопротивление рукой, измерить темновой ток Iтем (предел шкалы микроамперметра при этом установить равным 10 мкА). Результаты измерения записать в табл. 5.1.

3)Перемещая фотосопротивление вдоль оптической скамьи, измерить силу светового тока Iсв при различных значениях расстояния r1 между источником света и фотосопротивлением, т. е. при разных значениях освещенности

Ефотосопротивления (микроамперметр при этих измерениях переключается на бóльший предел шкалы: 200 или 1000 мкА). Значения расстояния r1 и соответствующие им значения силы тока Iсв записать в табл. 5.1. Расстояние от источника света до фотосопротивления менять с шагом, равным 5 см. Повторить измерения, перемещая фотосопротивление в обратном направлении. Измерить значения расстояния r2, соответствующие первоначальным значениям силы тока Iсв.

4) Рассчитать освещенность фотоэлемента по формуле:

где Р – сила света источника, которая принимается равной мощности лампы накаливания;

32

r – среднее расстояние от источника света до фотосопротивления,

5) Вычислить сопротивление полупроводника по формуле:

R U . (5.3)

Iсв

Полученное значение записать в табл. 5.1.

6)По данным табл. 5.1 построить график R = f (E).

7)Сделать вывод.

5.4.Контрольные вопросы

1)Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории твердых тел.

2)Пояснить механизм фотопроводимости для собственных и примесных полупроводников.

3)Как объяснить наличие красной границы λ0 внутреннего фотоэффекта

ирезкое уменьшение фотопроводимости при λ >> λ0?

4)Что такое темновой ток?

5)Почему для собственных полупроводников красная граница λ0 находится в видимой части спектра, а для примесных – в инфракрасной?

Лабораторная работа 6

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

Ц е л ь р а б о т ы: исследовать вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.

П р и б о р ы и п р и н а д л е ж н о с т и: кремниевый диод марки КД212, генератор напряжения, миллиамперметр, микроамперметр, милливольтметр.

6.1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки для измерения прямого тока приведена на рис. 6.1, а, обратного – на рис. 6.1, б.

33

Электрическая цепь (см. рис. 6.1) содержит генератор постоянного напряжения, милливольтметр, диод, миллиамперметр для измерения прямого тока и микроамперметр для измерения обратного тока. Напряжение, подаваемое на диод, можно регулировать ручкой на панели генератора.

Рис. 6.1. Схема лабораторной установки для измерения тока: а – прямого; б – обратного

6.2. Краткие теоретические сведения

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат разного рода примеси. В некоторых случаях примеси вводят специально для придания полупроводнику необходимых свойств.

Примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные. Донорные примеси поставляют в зону проводимости электроны, а акцепторные захватывают электроны, в результате чего в валентной зоне появляются дырки.

Несвязанные электроны без образования дырок могут появиться, например, при замещении части четырехвалентных атомов германия пятивалентными атомами мышьяка. Введение донорной примеси приводит к возникновению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости локальных энергетических уровней D, расположенных на глубине WD от дна зоны проводимости (рис. 6.2, а). Пятый электрон слабо связан с ядром и становится «лишним» в установлении межатомных связей. Сообщение таким электронам незначительной энергии WD приводит к тому, что они начинают беспрепятственно перемещаться по решетке кристалла, превращаясь, таким образом, в электроны проводимости. Эти полупроводники получили название полупроводников n-типа.

34

Введение акцепторной примеси приводит к возникновению в запрещенной зоне (выше верхнего потолка валентной зоны) локальных энергетических уровней A (рис. 6.2, б), например, при замещении части четырехвалентных атомов кремния трехвалентными атомами бора. Для установления прочной межатомной связи в этом случае не хватает одного электрона, который захватывается у соседнего атома. Разорванная связь представляет собой дырку. Близость акцепторного уровня А приводит к тому, что электроны из валентной зоны при получении незначительной энергии WA легко переходят на примесный уровень и в проводимости не участвуют. В проводимости полупроводника участвуют лишь дырки, возникающие при этом в валентной зоне. Такие полупроводники получили название полупроводников p-типа.

Рис. 6.2. Энергетический уровень примеси полупроводника: а – донорный; б – акцепторный

Следует заметить, что в полупроводниках p- и n-типа кроме основных присутствуют и неосновные носители (электроны в полупроводниках p-типа и дырки в полупроводниках n-типа), концентрация которых, однако, во много раз меньше концентрации основных носителей.

Дополнительные локальные энергетические уровни D и A отделены от ближайших уровней зоны проводимости и валентной зоны энергетической щелью WD и WA соответственно. Величины WD и WA называются энергиями активации донорной и акцепторной примесей соответственно. При этом численное значение каждой из величин WD и WA в несколько сот раз меньше ширины запрещенной зоны.

35

Рассмотрим, что происходит при контакте двух примесных полупроводников с различным типом проводимости. До соприкосновения полупроводники были электрически нейтральны, поэтому уровни Ферми [7] Wf, n и Wf, p в них расположены на разной высоте: в полупроводнике n-типа – ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p-типа – ближе к валентной зоне.

Если привести полупроводники в контакт, то электроны из полупроводника n-типа станут диффундировать в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа будут диффундировать в полупроводник n-типа. Возникает ток основных носителей, который называется диффузионным. Это происходит до тех пор, пока уровни Ферми в полупроводниках не расположатся на одной высоте.

Вследствие рекомбинации встречающихся электронов и дырок тонкий слой (10−7 − 10−6) м, прилегающий к границе раздела полупроводников, оказывается обедненным свободными носителями заряда. В результате этого в приконтактной области полупроводника n-типа остается нескомпенсированный положительный заряд и она заряжается положительно. Аналогично этому в приконтактной области полупроводника p-типа остается нескомпенсированный отрицательный заряд и она заряжается отрицательно (рис. 6.3, а). Появляется

контактное электрическое поле с напряженностью Eк , которое является запирающим: электроны из n-полупроводника не могут двигаться по полю Eк , а дырки из p-полупроводника не могут двигаться против поля Eк . Появляется контактная разность потенциалов Uк, которая вызывает смещение всех энергетических уровней, в результате этого возникает потенциальный барьер высоты еUк (рис. 6.3, а), где е – элементарный электрический заряд.

Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении Uпр, то в области p-n-перехода создается дополнительное электрическое поле Епр (рис. 6.3, б), направленное против контактного электрического поля Ек. Равновесие в области p-n-перехода нарушается, понижение потенциала в n-области вызывает повышение относящихся к ней энергетических уровней, а повышение потенциала в p-области обусловливает понижение соответствующих энергетических уровней (см. рис. 6.3, б). При этом уровень Ферми в n-области смещается вверх, а в p-области – вниз, на величину 1/2 еUпр.

36

Высота потенциального барьера уменьшается на величину еUпр и становится равной е(Uк – Uпр) (см. рис. 6.3, б), p-n-переход открывается, и сила тока, проходящего через него, повышается с увеличением внешней разности потенциалов.

E к E к

в – при наличии обратного напряжения

При включении p-n-перехода в обратном направлении (рис. 6.3, в) высота потенциального барьера увеличивается и становится равной е(Uк + Uоб). Внешнее поле Еоб совпадает по направлению с контактным полем Ек, что приводит к расширению запирающего слоя, поэтому p-n-

37

6.3.Порядок выполнения работы

1)Для снятия прямой ветви вольт-амперной характеристики диода используется схема, представленная на рис. 6.1, а.

После того как схема собрана и проверена преподавателем, включить все приборы в сеть и плавным поворотом ручки на панели генератора подать на диод напряжение Uпр, равное 10 мВ, и измерить силу прямого тока Iпр.

Увеличивая напряжение сначала с шагом 10 мВ, а затем – с шагом 50 мВ, измерить силу прямого тока. Результаты измерений записать в табл. 6.1.

Т а б л и ц а 6.1

Результаты измерения силы прямого тока

Uпр, мВ 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Iпр, мА

2) Для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики используется схема, представленная на рис. 6.1, б (обратите внимание на полярность включения диода).

Поскольку обратный ток Iобр в тысячи и даже в десятки тысяч раз меньше прямого тока, миллиамперметр заменяется микроамперметром. Напряжение Uобр, подаваемое на диод в обратном направлении, сначала следует увеличивать с шагом 20 мВ, а затем – с шагом 50 мВ до получения тока насыщения. Для каждого значения напряжения Uобр измерить силу тока Iобр и результаты измерений записать в табл. 6.2.

3)По данным табл. 6.1 и 6.2 построить вольт-амперную характеристику диода, откладывая по оси абсцисс напряжение, а по оси ординат – силу тока. При этом рекомендуется использовать разные масштабы по оси тока (миллиамперы – для прямого тока, микроамперы – для обратного).

4)По результатам измерений сделать вывод.

38

6.4Контрольные вопросы

1)Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории твердых тел.

2)Собственная проводимость полупроводников.

3)Примесная проводимость полупроводников.

4)Какие явления возникают на границе контакта двух полупроводников

сразличным типом проводимости?

5)Как внешнее электрическое поле влияет на свойства p-n-перехода?

6)Почему появляется потенциальный барьер при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости?

7)Объяснить вольт-амперную характеристику диода.

Библиографический список

1.Физика: Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Про - хоров. М.: Большая российская энциклопедия, 1998. 944 с.

2.Крохин С. Н. Измерения и расчет погрешностей в лабораторном практикуме по физике / С. Н. Крохин, Л. А. Литневский, С. А. Мина - будинова / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 29 с.

3.Таблицы физических величин / Под ред. И. К. Кикоина. М.: Атомиз-

дат, 1976. 1005 с.

4.Физические величины / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мей - лихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

5.Савельев И. В. Молекулярная физика и термодинамика // Курс общей физики: В 5 кн. / И. В. Савельев. М.: Наука, 1998. Кн. 3. 208 с.

6.Бушманов Б. Н. Физика твердого тела / Б. Н. Бушманов,

Ю. А. Хромов. М.: Высшая школа, 1971. 224 с.

7.Епифанов Г. И. Физика твердого тела / Г. И. Епифанов. М.: Выс-

шая школа, 1977. 288 с.

8.Литневский Л. А. Метод наименьших квадратов в лабораторном практикуме по физике / Л. А. Литневский, С. А. Минабудинова / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. 32 с.

39

Учебное издание

АРОНОВА Тамара Алексеевна, МИНАБУДИНОВА Сания Анасовна, СОСНОВСКИЙ Юрий Михайлович

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА, ТЕРМОДИНАМИКА И ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

____________________________

Редактор Т. С. Паршикова

***

Подписано в печать .01.2009. Формат 60 84 1/16. Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,7. Тираж 800 экз. Заказ .

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа Типография ОмГУПСа

*

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

40