Контрольные вопросы

1. Что такое транзистор? Типы транзисторов.

2. Что такое эмиттер, коллектор, база транзистора?

3. Что называется p-n переходом? Расскажите о его свойствах.

4. Расскажите о физических процессах, протекающих в транзисторе, находящемся в рабочем режиме.

5. Что называется семейством статических входных характеристик транзистора? Семейством выходных характеристик? Покажите общий вид этих кривых?

6. Назовите возможные способы включения транзистора в электрическую схему.

7. Напишите общие формулы для определения коэффициентов усиления транзистора по току, напряжению и мощности.

8. Расскажите о способе определения входного сопротивления, коэффициента усиления по току и выходному сопротивлению.

Лабораторная работа № 76. Изучение фотодиодов

Цель работы: снятие вольт-амперных характеристик и построение, световых характеристик, фотодиода в фотогальваническом режиме.

Теоретическое введение

Широкое применение находят полупроводниковые приемники излучения – оптоэлектронные полупроводниковые приборы, чувствительные к электромагнитному излучению видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра или преобразующие энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию. К ним относятся фотодиоды – приемники излучения, фоточувствительный элемент которых содержит структуру полупроводникового диода. Принцип действия фотодиода основан на свойствах электронно-дырочного перехода и на явлении внутренного фотоэффекта.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный или p-n переход – это переходный слой между двумя облостями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа. p-n переход создается в монокристалле полупроводникового материала внедрением в него соответствующих примесей. Предположим для простоты рассмотрения, что в какой-то момент создан электрический контакт между электронным и дырочным полупроводниками. На границе возникнут диффузионные потоки основных носителей заряда: электронов из n- в p-область и дырок из p- в n-область. Электроны, попадая в p-область, рекомбинируют (взаимно уничтожаются) с дырками, то же происходит в тонком слое вблизи границы p- и n-областей. В результате этот слой оказывается свободными носителями заряда. Также рекомбинация приводит к тому, что отрицательный заряд неподвижных ионов со стороны p-области не уравновешивается положительным зарядом дырок, так как часть из них прорекомбинировала, и образуется отрицательный объемный заряд. Аналогично со стороны n-области создается положительный объемный заряд неподвижных ионов доноров. Объемные заряды на p-n переходе создают двойной электрический слой (рис. І) и, следовательно, внутреннее электрическое поле, которое ротиводействует процессу диффузии основных носителей заряда.

p-n переход

p-область n-область

Евнутр.

- ионы акцепторов; - ионы доноров; ( ) – дырки; ( ) – электроны.

Ионы основного материала и неосновных носителей заряда схематически не изображены.

Рисунок 76.1

Зонная диаграмма p-n перехода в равновесии показана на рисунок 76.2. Энергетические зоны в p - и n - областях смещаются относительно друг друга, в области перехода наблюдается изгиб зон, образующий потенциальный барьер eφ_k для основных носителей заряда (e – заряд электрона, φ_k – контактная разность потенциалов).

В состоянии равновесия диффузионный ток основных носителей заряда I_g и дрейфовый (под действием электрического поля p-n перехода) ток неосновных носителей заряда I₀ (электронов из p-области в n-область и дырок из n- в p-область) компенсируют друг друга

(76.1)

W_C W_v

e_k

W_C

W_F W_D

W_A W_F

e_k

W_V

W_C – дно зоны проводимости; W_V – поток валентной зоны; W_A – акцепторный уровень; W_D – донорный уровень; W_F – уровень ферми.

Рисунок 76.2

При приложении напряжения в прямом направлении (плюс к p-области, минус к n-области) внешнее поле направлено противоположно внутреннему, в результате потенциальный барьер понижается, и с увеличением напряжения резко растет ток основных носителей заряда I_g. При приложении напряжения в обратном направлении (плюс к n-, минус к p-области) внешнее и внутреннее электрические поля направлены одинаково, потенциальный барьер для основных носителей заряда еще более возрастает и их ток I_g уменьшается. Протекает малый по величине дрейфовый ток не основных носителей, слабо зависящий от напряжения. Вольт-амперная характеристика p-n перехода не линейна (рисунок 76.3) и определяется зависимостью

(76.2)

где e – основание натурального логарифма; α – коэффициент, зависящий от температуры; U – напряжение.

U

U

Рисунок 76.3

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект – перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых телах и жидкостях в результате поглощения фотонов. Если энергия фотонов не меньше ширины запрещенной зоны (hν≥∆W), как в собственных, так и в примесных полупроводниках, образуются пары свободных носителей заряда (электрон и дырка) в результате возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости (переходы 1 на рис. 76.4). При низких температурах в примесных полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, обусловленный переходом электронов с уровня в зону проводимости (полупроводник n-типа) и из валентной зоны на акцепторный уровень (полупроводник p-типа) – переходы 2, 3 на рис. 76.4 б, 76.4 в.

W _C W_C W_C

W_D

W_A

W _V W_V W_V

а) б) в)

Рисунок 76.4

Фотодиоды

Фотодиоды изготавливаются из различных полупроводников: кремния, германия, арсенида галлия, селена и др. Наиболее часто используется конструкция фотодиодов, в которых направление падающего излучения перпендикулярно плоскости p-n перехода. Свет с энергией фотонов hν≥∆W падает на широкую и тонкую n-область (или p-область), образуя в результате поглощения электронно-дырочные пары с обеих сторон p-n перехода. Важным при рассмотрении фотодиода в фотодиодном и фотогальваническом режимах работы является поведение неосновных носителей заряда, так как их концентрация может значительно изменяться в результате освещения, в то время как относительное изменение концентрации основных носителей заряда мало.

Фотодиодный режим работы

Фотодиод включается в цепь с внешним источником напряжения, приложенного в запорном направлении (рисунок 76.5). Неосновные носители заряда при освещении возникшие вблизи p-n перехода на расстояниях, не превышающих диффузионной длины, диффундируют к p-n переходу, подхватываются электрическим полем на переходе и переносятся через него, увеличивая обратный ток и, следовательно, напряжение на сопротивлении нагрузки R. Изменение обратного тока в результате освещения называют фототоком

(76.3)

где I – сила тока при освещении; I₀ – сила тока в отсутствие освещения (темновой ток).

Вольтамперные характеристики (ВАХ) в фотодиодном режиме при различных световых потоках Ф приведены на рисунок 76.6.

Свет n p

U_обр

Ф₁

Ф=0

Ф₂>Ф₁

I_Ф1

I_Ф2

I_обр.

Рисунок 76.5 Рисунок 76.6

В рабочем диапазоне обратных напряжений токи фотодиода при освещении практически не зависят от величины U_обр.. Фотодиодный режим используется для преобразования световых сигналов в электрические.

I_ф

Ф

Рисунок 76.7

Преимуществом фотодиодов перед фоторезисторами является линейность световой характеристики (рисунок 76.7) и малая инерционность (до 10^-9 с).Чувствительностью фотодиода называют отношение фототока к величине светового потока

(76.4)

Если падает белый свет, определяют интегральную чувствительность. Спектральная чувствительность – чувствительность фотодиода к монохроматическому свету различна для разных длин волн.

Фотогальванический режим работы

Фотогальванический режим – это режим работы фотодиода без внешнего источника напряжения, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Фотодиоды в фотогальваническом режиме также называют полупроводниковыми фотоэлементами, а если они имеют большую площадь – солнечными батареями. Включение фотодиода показано на рисунок 76.8, где R – сопротивление нагрузки.

Принцип работы заключается в следующем. Электрическое поле p-n перехода производит разделение неравновесных носителей заряда, генерированных светом. Неосновные носители заряда переносятся полем перехода: электроны из p- в n-область, дырки из n- в p-область и становятся основными. С точки зрения энергетической диаграммы (рисунок 76.2) это означает скатывание электронов с потенциального барьера в n-область и скатывание дырок в p-область. В результате

Свет n p

Рисунок 76.8

n-область заряжается отрицательно, а p-область – положительною между р- и n-областями возникает разность потенциалов – фото ЭДС. Направление возникшего в результате освещения тока через нагрузочное сопротивление показано на рис.76.8.

Переход неосновных носителей заряда не беспределен, так как перейдя, они нейтрализуют часть объемного заряда n-p перехода, понижают высоту потенциального барьера и тем самым напряженность поля на переходе и ухудшают его разделительные свойства.

Фотогальваническому режиму соответствует часть полной ВАЧ фотодиода, изображенной на рисунок 76.9. расположенная в четвертом квадрате. Отдельно вольтамперные характеристики в фотогальваническом режиме различных световых потоках показаны на рис. 76.10.

I I φ=0

U_xx1 U_xx2

U_xx U I_k31 φ₁

I_k3 I_k32 φ_2> φ₁

Рисунок 76.9 Рисунок 76.10

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений U_xx соответствует значениям фото – ЭДС или напряжениям холостого хода (при разомкнутой цепи), точки пересечения с осью токов I_k3 соответствует значениям токов короткого замыкания (R=0).

Световые характеристики в фотогальваническом режиме – в зависимости фото-ЭДС или тока короткого замыкания от светового потока. Они нелинейны (рисунок 76.11), что связанным рассмотренным выше процессом уменьшения высоты потенциалов при переходе электронов n область. Максимальное значение фото-ЭДС приближается к величине контактной разности потенциалов. φ_k

Спектральная характеристика фотодиода в фотогальваническом режиме – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны (или частоты) падающего света. На рисунке 76.12. показана зависимость I_k3 от λ для кремниевого фотодиода. Спад со стороны больших λ – красная граница фотоэффекта. Спад со стороны коротких М связан с тем, что фотоны с энергией, заметно превышающей ширину запрещенной зоны, активно поглощаются в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда высока.

U_xx I_k3 I_k3

Ф Ф 0 0,5 1,0

длина волны, мкм

Рисунок 76.11 Рисунок 76.12

Коэффициент полезного действия – это отношение максимальной мощности которую можно получит на нагрузочном сопротивлении к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотодиода. КПД различных фотодиодов, изготовленных из кремния, арсенида галлия других полупроводников, достигает 12-20% невысокая величина КПД связана с фотоэлектрический неактивным поглощением света, его отражением от поверхности, рекомбинацией неравновесных электронов и дырок до разделения их полем, потерями мощности при прохождении тока через объем фотодиода и другими причинами.

Лабораторная установка и метод измерения

В работе иследуется селеновый фотодиод в фотогальвани – ческом режиме. Схеме установки предназначена для снятия вольт – амперных характеристик и включает в себя следующие элементы:

Фотодиод BL представляющий собой систему, состоящую из металлической подложки, на одной стороне которой нанесен слой селена толщиной около 0,1 мм с замирающим слоем, покрытый полупрозрачной электродов:

Выпрямитель UZ для питания лампы накаливания, расположенный внутри стенда;

Лампа накаливания EL, расположенная вместе с фотодиодом с светонепроницаемом корпусе;

Набор сопротивлений R1, R10 и галетный переключатель SA3, позволяющие изменять сопротивление нагрузки ступенчатым образом для регулирования тока нагрузки;

Цифровой вольтметр PmV для измерения напряжения на фотодиоде, расположенный на стенде, с жидкокристаллическим индикатором, выходящим в окошко стенда.

Входные сопротивление цифрового вольтметра Щ43I3 на исследуемом пределе измерений 500мВ составляет 100Мом, что на много порядков превосходит сопротивление фотодиода сопротивление нагрузки, поэтому ошибка в измерений фото ЭДС или напряжения на фотодиоде, связанная с протеканием тока через вольтметр, ничтожна и в пределах точности измерений отсутствует.

Световой поток, падающий, на фоточувствительные элемент, регулируется изменением расстояния между ним и лампой накаливания.

Порядок выполнения работы:

1) включить выпрямитель штепсельной вилкой в сеть 220 в.

2) установить лампу на небольшом расстоянии 10 см от фотодиода. При установке источника света против какого – либо деления линейной шкалы, расположенной под светонепроницаемым корпусом, за центр электролампы принимается отмеченная белой точкой середина стойки. Ключом SA1 включить освещение.

3) Включить питание вольтметра ключом SA4. Переключатель рода работы прибора установлен на измерение напряжения, предел измерений выбран 0,5 в. Показания прибора даются на его шкале в мВ.

4) Снять вольт – амперную характеристику (ВАХ) фотодиода в фотогальваническом режиме.

Рисунок 76.13

5) Установить режим холостого хода; разомкнуть ключ SA2 при этом сопротивление нагрузки , ток нагрузки I=0, напряжение U, измеряемое цифровым вольтметром, соответствует фото – ЭДС U_xx. Значение r, I и U занести в таблицу.

6) Изменяя сопротивление нагрузки (положение галетного переключателя SA3 IO I), измерять соответствующие друг другу значения тока нагрузки I и напряжения U вплоть до режима которого замыкания при R=0, когда U=0 и ток максимален I=I_k3. Данные занести в таблицу.

7) Снять вольт – амперные характеристики при других трех – четырех значениях светового потока, соответствующим расстояниям r в пределах от 10 до 30 см. Величины r и соответствующие им пары значений I и U занести в таблицу.

8) Рассчитывать значения световых потоков

(76.5),

где J – сила света лампочки, равная 2,1 кд; S – площадь светочувствительного элемента, равная 9,6 * 10^-4 м²; r – расстояние лампы от до фотодиода.

Занести значения Ф в таблицу

Таблица 76.1

r, м	Ф, лм	Данные для вольт-амперных характеристик
		U, мВ
		I, мкА
		U, мВ
		I, мкА
		U, мВ
		I, мкА

9) Построить вольт – амперные характеристики, полученные при различных световых потоков. ВАХ можно построить в четвертом квадрате (как на рисунке 76.10) или, как более общепринято, в первом квадрате (рисунок 76.14). Если при измерениях не достигались значения U=0, то следует кривые I(U) экстраполировать до пересечения с осью.

10) Построить световые характеристики фотодиода в фотогальваническом режиме – это зависимости I_k3 (Ф) и U_xx (Ф).

Рисунок 76.14

Меры безопасности

Соблюдать общие требования техники безопасности и пожарной безопасности при выполнений лабораторных работ.