Изучение вентильного эффекта в полупроводниках (Лабораторная работа № 2)

Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭФФЕКТА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Цель работы: изучение физических процессов в электронно-дырочном переходе в полупроводнике, исследование некоторых характеристик вентильного фотоэлемента.

Оборудование: вентильный фотоэлемент (учебный); микроамперметр М–195/1; лампа накаливания 220 В, 40 Вт; оптическая скамья с сантиметровой линейкой (рельс 1,5 м); две ползушки; магазин сопротивления Р–33; ключ.

Теоретическая часть

Вентильный фотоэффект наблюдается на границе раздела полупроводников различных типов проводимости (p-n переходе).

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении под действием света в области p-n  перехода электродвижущей силы (фото-ЭДС).

Для получения хорошего p-n перехода в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси – донорную и акцепторную. Первая сообщает проводнику электронную, а вторая дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять фосфор (мышьяк), а в качестве акцептора – бор (индий). Тогда в одной части пластинки возникает электронная, а в другой – дырочная проводимость, а между этими половинками – тонкий переходный слой (10^-4 – 10^{-6 см.) –} p-n переход.

Каждый из двух типов носителей тока: электроны и дырки – диффундирует через n–р-переход, создавая на n-зоне слой положительных зарядов – дырок, а в р-зоне слой отрицательных зарядов – электронов. Распределение концентраций носителей тока, плотности объемного заряда, потенциальной энергии электронов и дырок и напряженности электрического поля в контактном слое вблизи n–р-перехода показано на рис. 2.1. Изображенные состояния соответствуют термическому равновесию и отсутствию внешнего электрического поля.

Переход дырок в n-область создает в ней положительный потенциал, энергия электронов в ней снижается, а энергия дырок увеличивается. В р-области электроны создают отрицательный потенциал, их энергия растет, а энергия дырок снижается (рис. 2.1). Электроны в n-области являются основными носителями тока, в р-области они являются неосновными носителями. Дырки, наоборот, в р-области являются основными, а в n-области –неосновными носителями тока. Из рис. 2.1 видно, что неосновные носители могут свободно проходить через n–р-переход, так как они при этом перемещаются с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень. Это означает, что электроны из р-области проходят обратно в n-область, а дырки из n-области проходят в р-область. Это создает некоторый ток i_н, направленный от n- к р-области. Таким образом, все неосновные носители тока, независимо от того, какой энергией они обладают, могут переходить через n – р-переход, образуя ток i_н. Из основных носителей тока через n–р-переход могут проникнуть лишь те, энергия которых превышает высоту потенциального барьера. Эти переходы носителей образуют диффузионный ток i_о. В равновесном состоянии i_н =i_о. На рис 2.2, а показаны потенциальные барьеры n–p-перехода и энергетические положения основных (внизу) и неосновных (вверху) носителей тока.

Рис. 2.2. Высота потенциального барьера в n–р-переходе в отсутствии электрического поля.

Контактная разность потенциалов u_к на n–р-переходе в германии составляет 0,7 В, а в кремнии – примерно 1,1 В.

Вентильный (фотогальванический) фотоэффект

Как уже отмечалось, при облучении светом полупроводника с n-p–переходом может возникнуть фото-ЭДС. Возникновение ее можно представить следующим образом.

Под действием света и в р-области, и в n-области будут возникать электронно-дырочные пары (рис. 2.3).

Электроны р-области, и дырки n-области, возникающие под действием света (неосновные носители), проходят через р-n-переход свободно (рис. 2.4), так как контактное электрическое поле способствует этому.

          Рис. 2.3.                                                                       Рис. 2.4.

В результате в р-области накапливается избыточный положительный заряд, в n-области – избыточный отрицательный заряд и между ними возникает направленная противоположно контактной разности потенциалов некоторая разность потенциалов U, которую называют фото-ЭДС.

Накопление избыточных зарядов не может продолжаться бесконечно, так как одновременно происходит понижение потенциального барьера на величину U и, следовательно, усиление встречной диффузии основных носителей – электронов из р-области в n-область и дырок в противоположном направлении. Установившемуся динамическому равновесию между носителями заряда, проходящими p-n- переход в обоих направлениях, будет соответствовать окончательный скачек потенциала U_к – U. Величина фото-ЭДС может достигнуть 1В. Максимальное ее значение не может быть больше U_к.