Исследование характеристик фотодиода

 

Цель работы: экспериментальное исследование характеристик фотодиода в фотодиодном и вентильном режимах его работы.

 

Приборы и принадлежности: источник питания ИПС1, блок амперметра-вольтметра АВ1, стенд с объектами исследования С3-ОК01.

 

 

Введение

Примесные полупроводники p- и n- типов

Электрическая проводимость полупроводников весьма чувствительна к наличию примесей. Например, введение в кремний всего 0.001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре в тысячу раз. Проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей, называется примесной проводимостью. Примесная проводимость может быть или электронной или дырочной. Рассмотрим механизм возникновения примесной проводимости на двух примерах.

 

1) Электронная проводимость

Электронная проводимость возникает в том случае, когда валентность атома примеси на единицу больше, чем валентность основного элемента. В этом случае примесь называется донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником n- типа.

Пусть основной элемент, образующий кристаллическую решетку – германий Ge, элемент IV группы, а примесью пусть служит мышьяк As, элемент V группы. У атома Ge четыре валентных электрона; все они участвуют в образовании ковалентных связей с соседними атомами. У атома As пять валентных электронов, следовательно, один из них не будет участвовать в образовании связи с атомом Ge. Так как диэлектрическая проницаемость германия ε = 16, то энергия связи пятого валентного электрона мышьяка с собственным ядром уменьшится в ε ² = 256 раз и станет равной Δ E_d = 0, 013 эВ. Такая энергия легко может быть сообщена электрону при тепловых колебаниях решетки, он оторвется от атома мышьяка и станет электроном проводимости (рис. 3.1a). Атом As при этом превратится в положительный ион. Положительный заряд будет локализован на примесном атоме, по кристаллу он перемещаться не сможет, следовательно, дырки при этом не образуется. В этом случае полупроводник обладает электронной проводимостью.

В терминах зонной теории рассмотренный процесс соответствует образованию примесного донорного уровня, лежащего в запрещенной зоне на расстоянии Δ E_d от дна зоны проводимости (рис. 3.1б). Это локальный уровень, находящийся возле примесного атома и не распространяющийся на весь кристалл. Величина Δ E_d определяет энергию активации примесной электронной проводимости.

 

а	б

Рис. 3.1. Возникновения примесной электронной проводимости полупроводников.

 

2) Дырочная проводимость

Дырочная проводимость возникает в том случае, если валентность атома примеси на единицу меньше, чем валентность основного элемента. Такая примесь называется акцептором, а полупроводник с акцепторной примесью – полупроводником p-типа.

Рассмотрим германиевый полупроводник с примесью индия In – элемента III группы. Для образования связей с четырьмя ближайшими атомами германия у атома In не хватает одного электрона. Этот электрон In может позаимствовать у соседнего атома Ge, для чего потребуется энергия Δ E_а = 0, 015 эВ. При этом примесный атом In превратится в отрицательный ион, а у атома германия образуется дырка (рис. 3.2a). Эта дырка не останется локализованной, а будет перемещаться по решетке германия как свободный положительный заряд, участвуя в проводимости. На зонной схеме это можно изобразить как появление в запрещенной зоне примесного акцепторного уровня, расположенного на расстоянии Δ E_а от потолка валентной зоны (рис. 3.2б). На этот уровень могут переходить электроны из валентной зоны, причем эти электроны в проводимости не участвуют, так как они захватываются атомами примеси. В валентной зоне остаются дырки, обусловливающие примесную проводимость полупроводников p-типа. Величину Δ E_а называют энергией активации примесной дырочной проводимости.

а	б

Рис. 3.2. Возникновения примесной дырочной проводимости полупроводников.

 

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми. Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми при абсолютном нуле расположен посередине между донорным уровнем и дном зоны проводимости (рис. 3.3a). У полупроводников p-типа он расположен посередине между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны (рис. 3.3б). С повышением температуры увеличивается вероятность возбуждения собственной проводимости, и уровень Ферми в полупроводниках обоих типов плавно смещается к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, что характерно для собственных полупроводников.

 

а	б

Рис. 3.3. Уровень Ферми в примесных полупроводниках.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: