Бурлаков Р.Б., Блинов В.И. Физика полупроводниковых приборов - файл n1.doc

Бурлаков Р.Б., Блинов В.И. Физика полупроводниковых приборов
скачать (3426.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3427kb.21.10.2012 12:16скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Министерство образования и науки Российской Федерации
Омский государственный университет
им. Ф.М. Достоевского

ФИЗИКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ

Лабораторный практикум

(для студентов IV курса физического факультета)
Изд-во Омск

ОмГУ 2005
УДК 621.382

ББК 32.852

Ф48


Рекомендован к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ
Рецензенты: канд. техн. наук, доц. А.И. Блесман

канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Шкуркин

Ф 48 Физика полупроводниковых приборов: Лабораторный практикум (для студентов IV курса физического факультета) / Сост.: В.И. Блинов, Р.Б. Бурлаков, О.О. Загарских. – Омск:
Изд-во ОмГУ, 2005. – 175 с.

ISBN 5-7779-0543-9

Рассматриваются физические принципы работы полупроводниковых приборов: фотоэлементов, диодов, транзисторов, переключательных полупроводниковых приборов. Приведены описания лабораторных работ, позволяющих изучить основные характеристики и параметры полупроводниковых приборов.

Для студентов старших курсов, специализирующихся в области микроэлектроники и медицинской физики.

УДК 621.382

ББК 32.852

ISBN 5-7779-0543-9 © Омский госуниверситет, 2005


ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 6

РАЗДЕЛ 1. Физика электронно-дырочных переходов. Полупроводниковые диоды 8

1.1. Электронно-дырочный переход 8

1.1.1. Образование электронно-дырочного перехода 8

1.1.2. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода 9

1.1.3. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов 11

1.1.4. Токи через электронно-дырочный переход 12

1.1.5. Классификация электронно-дырочных переходов 14

1.1.6. Полупроводниковые фотоэлементы 17

1.2. Диоды на основе электронно-дырочных переходов 22

1.2.1. Структура и основные параметры диодов 22

1.2.2. Вольтамперные характеристики диодов 24

1.2.3. Барьерная емкость полупроводниковых диодов 43

1.2.4. Пробой полупроводниковых диодов 54

1.2.5. Выпрямительные диоды 60

1.2.6. Стабилитроны 67

1.2.7. Туннельные диоды 71

Лабораторная работа № 1 76

Изучение фотоэлектрических свойств
электронно-дырочного перехода (фотоэлемента) 76

Лабораторная работа № 2 79

Сравнительный анализ вольт–амперных характеристик
германиевых и кремниевых диодов 79

Лабораторная работа № 3 82

Исследование температурной зависимости
вольт-амперных характеристик
плоскостных полупроводниковых диодов 82

Лабораторная работа № 4 86

Барьерная емкость полупроводниковых диодов 86

Лабораторная работа № 5 88

Изучение работы
кремниевого стабилитрона 88

Лабораторная работа № 6 91

Изучение работы
туннельного диода 91

РАЗДЕЛ 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 94

2.1. Биполярные транзисторы 94

2.1.1. Принцип действия и основные режимы работы 94

2.1.2. Распределение стационарных потоков
носителей заряда 98

2.1.3. Распределение носителей заряда 102

2.1.4. Схемы включения биполярного транзистора 106

2.1.5. Статические характеристики транзистора 110

2.1.6. Работа транзистора на малом переменном
сигнале. Малосигнальные параметры 121

2.2. Полевые транзисторы 126

2.2.1. Классификация и основные особенности 126

2.2.2. Полевые транзисторы с управляющим
p-n–переходом 129

2.2.3. Полевые транзисторы с изолированным
затвором 141

Лабораторная работа № 7 148

Измерение статических характеристик биполярного
транзистора, включенного по схеме с общей базой 148

Лабораторная работа № 8 152

Измерение статических характеристик биполярного
транзистора, включенного по схеме с об­щим эмиттером 152

Лабораторная работа № 9 156

Измерение дифференциальных h-параметров
биполярного транзистора 156

Лабораторная работа № 10 160

Изучение работы полевого транзистора
с управляющим p-n–переходом 160

Лабораторная работа № 11 165

Изучение работы полевого транзистора
с изолированным затвором 165

РАЗДЕЛ 3. Переключательные Полупроводниковые приборы 169

3.1. Тиристоры 169

3.1.1. Классификация и система обозначений
тиристоров 169

3.1.2. Двухэлектродные тиристоры (динисторы) 170

3.1.3. Трехэлектродный тиристор (тринистор) 173

3.1.4. Симметричный тиристор (симисторы) 175

3.2. Однопереходные транзисторы 176

Лабораторная работа № 12 181

Изучение работы тиристоров 181

Лабораторная работа № 13 184

Измерение характеристик
однопереходного транзистора 184

Список рекомендуемой литературы 186

ПРЕДИСЛОВИЕ



В настоящее время невозможно представить жизнь современного человека без использования им полупроводниковых приборов почти во всех аспектах его активной деятельности, и даже в развлечениях; поэтому физик только тогда может претендовать в глазах граждан на звание специалиста, когда он понимает, как работают полупроводниковые приборы и как они могут быть применены для решения возникающих перед ним задач.

Лабораторный практикум написан в соответствии с программой курса «Физика полупроводниковых приборов» для студентов IV курса физического факультета по специальности физика и медицинская физика и может быть использован в учебном процессе по другим специальностям. В нем представлены ряд лабораторных работ, в процессе выполнения которых, помимо углубления имеющихся знаний, у студентов происходит выработка на­выков и умений, позволяющих использовать на практике теоретические знания. Практикум состоит из трех разделов, в каждом из которых дается краткий теоретический материал, необходимый для успешного и эффективного проведения лабораторных работ.

В первом разделе изложены физические принципы образования и работы p-n–перехода и приборов на его основе (полупроводниковый диод, фотоэлемент). Приведены описания шести лабораторных работ, позволяющие на практике ознакомиться с основными параметрами и характеристиками полупроводниковых приборов.

Во втором разделе приведены принципы действия и основные режимы работы биполярных и полевых транзисторов. Пять лабораторных работ позволят на практике ознакомиться со схемами включения и основными характеристиками полупроводниковых транзисторов.

В третьем разделе представлены полупроводниковые переключательные приборы на примере тиристоров и однопереходных транзисторов. Для закрепления на практике теоретических знаний предлагается выполнить две лабораторные работы по изучению основных характеристик и параметров тиристоров и однопереходных транзисторов.

Выполнение лабораторного практикума по физике полупроводниковых приборов позволит получить необходимый объем знаний, обеспечивающий грамотное использование полупроводниковых приборов в схемах самого различного назначения.

РАЗДЕЛ 1. Физика электронно-дырочных переходов. Полупроводниковые диоды

1.1. Электронно-дырочный переход


Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущест­венно используются контакты: полупроводник–полупровод­ник; металл–полупроводник; металл–диэлектрик–полупро­водник.

Если контакт создается между полупроводниками n-типа и
p-типа, то переходной слой между ними называют электронно-дырочным, или p-n–переходом.

1.1.1. Образование электронно-дырочного перехода


При идеальном контакте двух полупроводников с различным ти­пом электропроводности из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в области с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полу­проводнике). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника. В
p-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области после диффузии из нее электронов проводимости – нескомпенсированные иони­зированные доноры (положительные неподвижные заряды). Обра­зуется область объемного заряда, состоящая из двух разноименно за­ряженных слоев, обедненная свободными носителями заряда. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области, называемое диффу­зионным электрическим полем (рис. 1.1, а, б, в). Воз­никшее диффузионное электрическое поле препятствует диффузии основных носителей через металлургический кон­такт, что ведет к уменьшению диффузионного тока основных носителей вплоть до установления равновесного состояния, в котором этот ток становится равным дрейфовому току неосновных носителей. Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потен­циал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. За пределами области объемного заряда полупроводниковые области n- и p-типа остаются электрически нейтральными.


а б в
Рис. 1.1. Пространственное распределение зарядов:
а – внешнее напряжение отсутствует (U = 0); б – внешнее напряжение прямое (U > 0); в – внешнее напряжение обратное (U < 0)
Таким образом, электронно-дырочный переход (p-n–переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника
p- и n-типа проводимости, в котором сущест­вует диффузионное электрическое поле и который обеднен свободными носителями заряда.

1.1.2. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода


Согласно зонной теории полупроводников энергетическую диаграмму элек­тронно-дырочного перехода можно изобразить, как показано на рис. 1.2а. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в
p-n–переходе. Поэтому энергетические зоны в этих областях изображены горизонталь­ными. Взаимное расположение разрешенных зон и уровня Ферми за пределами p-n–перехода остается таким же, каким было в соответ­ствующих полупроводниках.


а б в

Рис. 1.2. Энергетические ди­аграммы электронно-дырочного перехода
(а, б, в): а – внешнее напряжение отсутствует (U = 0); б – внешнее напряжение прямое (U > 0); в – внешнее напряжение обратное (U < 0);
Эi – энергия уровня Ферми собственного полупроводника;
ЭФ – энергия уровня Ферми системы
Поскольку напряженность диффузионного электрического поля в p-n–переходе направлена от электронного полупроводника к ды­рочному, на диаграмме соответствующие энергетические зоны для n-области должны быть ниже, чем для p-области. Величина такого сдвига зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми должен быть расположен на одной высоте энергетической ди­аграммы всей системы. Величина этого сдвига зон соответствует также контактной разности потенциалов (?кон) или высоте потен­циального барьера (q?кон) электронно-дырочного перехода.

1.1.3. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов


Как видно из рис. 1.2а, высота потенциального барьера
p-nперехода

. (1.1)

Используя соотношения из физики полупроводников для равновесной концентрации свободных электронов () и дырок ()

, ,

, ,

(, – концентрации свободных носителей заряда в собственном полупроводнике), можно записать:

и . (1.2)

Следовательно, высота потенциального барьера

(1.3)

или, при использовании соотношения

. (1.4)

Все приведенные выражения для высоты потенциального барьера равносильны, но удобнее пользоваться (1.3), так как концентрация основных носителей заряда практически равна концентрации леги­рующей примеси либо легко может быть определена из удельной про­водимости прилегающих к p-n–переходу областей. Значение собствен­ной концентрации носителей ni для одной температуры дается в ли­тературе, а температурная зависимость собственной концентрации определяется шириной запрещенной зоны полупроводника.

Для удобства анализа подставим в (1.3) , где – ширина запрещенной зоны полупроводника, и учтем, что концентрация основных носителей заряда значительно меньше плотности возможных состояний в соответствующих зонах, т. е. (Nc, Nв – эффективная плотность состояний в зоне проводимости и в валентной зоне). Тогда

. (1.5)

Из соотношения (1.5) для высоты потенциального барьера можно сделать следующие выводы:

– при одних и тех же концентрациях примесей высота потен­циального барьера больше в p-n–переходах, созданных в полупро­водниках с большей шириной запрещенной зоны;

– высота потенциального барьера возрастает при увеличении
концентрации примесей в соответствующих областях;

– с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

1.1.4. Токи через электронно-дырочный переход


Пусть к электронно-дырочному переходу подключен внешний источник напряжения плюсом к p-области и минусом к
n-области. Такое подключение p-n–перехода называют прямым. Внешнее напряжение такой полярности также называют прямым и считают положительным. Поскольку электрическое сопротивление области объемного заряда перехода значительно превышает сопротивления p- и n-областей, то можно считать, что при прямом смещении перехода все приложенное внешнее напряжение падает на p-n–переходе. Уменьшение разности потенциалов на переходе на величину приложенного напряжения является следствием уменьшения величины разноименных объемных зарядов ионизованных примесей в p-n–переходе из-за уменьшения толщины области объемного заряда, при этом уменьшается и напряженность электрического поля в нем.

При прямом смещении перехода его потенциальный барьер уменьшается (рис 1.2, б), и большее количество основных носителей заряда, чем при равновесном состоянии, переходит через контакт. Это приводит к сильному увеличению диффузионного тока через p-n–переход.

Дополнительная диффузия носителей зарядов приводит к тому, что на границе p-n–перехода повышаются концен­трации дырок в области n-типа до некоторого значения рnгр и электронов в
p-области до значения npгр. Введение (впрыскивание) носителей заряда (вследствие понижения потенциального барьера под действием прямого напряжения) в область, где эти носители являются неосновными, с увеличением их концентрации около границы p-n–перехода называется инжекцией неосновных носителей заряда. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую осуществляется инжекция, – базой.

Поскольку при прямом включении p-n–перехода потен­циальный барьер уменьшается, концентрации неосновных носителей на границах p-n–перехода могут быть рассчита­ны по формулам (1.4) при замене кон величиной конU. Тогда:

; (1.6)

. (1.7)

Из выражений (1.6) и (1.7) следует, что на границах p-n–перехода под действием прямого напряжения U про­исходит увеличение концентраций неосновных носителей.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффун­дируют в глубь полупроводника и нарушают его электро­нейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводников происходит за счет поступления носите­лей зарядов от внешнего источника. Это является причи­ной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым и обозначаемого Iпр.

При обратной полярности приложенного напряжения (внешний источник напряжения подключен плюсом к n-области и минусом p-области) высота потенциального барьера для основных носителей заряда увеличивается (рис. 1.2, в), уменьшая диффузионный ток, так как их меньшее количество может преодолеть возросший потенциальный барьер. Для неосновных носителей, т. е. для дырок в n-области и для электронов в p-области, потенциальный барьер вообще отсутствует, а поле в p-n–переходе остается ускоряющим. Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n–переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция. При этом через p-n–переход будет идти обратный ток , который относительно мал из-за малой концентра­ции неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n–переходу областях.

Приложенное напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называют обратным и считают отрицательным. При обратном смещении p-n–перехода разность потенциалов на нем увеличивается по абсолютному значению на величину обратного напряжения, что является следствием увеличения разноименных объемных зарядов ионизованной примеси в области p-n–перехода из-за увеличения толщины этой области. При этом напряженность электрического поля в p-n–переходе увеличивается.

Концентрация неосновных носителей у границ p-n–перехода вследствие экстракции уменьшится до некоторых значе­ний рnгр и npгр . По мере удаления от p-n–перехода концен­трация неосновных носителей будет возрастать до равно­весной.

1.1.5. Классификация электронно-дырочных переходов


Среди разнообразных методов формирования p-n–переходов наибольшее значение имеют два: метод вплавления и метод диффузии примесей. Электронно-дырочный пере­ход, полученный методом вплавления в полупроводник (с после­дующей рекристаллизацией полупроводника) металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные примеси, называют сплавным переходом, а переход, полученный в результате диф­фузии примеси в полупроводник, – диффузионным.


а б в
Рис. 1.3. Технологические стадии вплавления примесей в монокристалл полупроводника: а – навеска вплавляемого материала 1, содержащая
донорную примесь, на поверхности монокристалла полупроводника 2
перед вплавлением; б – расплав материала навески с полупроводником 3 при высокой температуре вплавления; в – избыточный слой материала навески 4 на поверхности рекристаллизованного полупроводника 5
после охлаждения

При вплавлении (рис. 1.3) в полупроводник металла или сплава, содер­жащего донорные или акцепторные примеси, полупроводник с навеской вплавляемого материала нагревают до расплавления навески, в результате чего часть кристалла полупроводника растворяется в расплаве навески. При последующем охлаждении происходит рекристаллизация полупроводникового кристалла с примесью вплавляемого материала. Если рекристал-
лизованный слой получился с другим типом электропроводности по сравнению с электропроводностью исходного полупроводника, то на границе их раздела возникает p-n–переход.

При создании диффузионного p-n–перехода используют диффу­зию в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жид­кой или твердой фазе (рис. 1.4). Диффузионные p-n–переходы в свою очередь могут быть нескольких разновидностей. Так, диффузион­ный p-n–переход, образованный в результате диффузии примеси сквозь отверстие в защитном слое, нанесенном на поверхность полу­проводника, называют планарным p-n–переходом. В качестве защит­ного слоя на кремнии обычно используют двуокись того же самого кремния.

Рис. 1.4. Диффузионный p-n–переход (а), распределе­ние примесей
в полупровод­нике после диффузии в него доноров (б) и планарный
p-n–переход (в): Nа – исходная концентрация акцепторов;
NД – концентрация доноров после диффузии; x0 – глубина залегания
сформирован­ного p-n–перехода
Кроме основных методов формирования p-n–переходов (вплавление и диффузия примесей) отметим еще метод эпитаксиального наращивания. Сущность эпитаксиального (ориентированного) наращивания состоит в том, что, например, в результате протекания химической реакции у поверхности полу­проводника, нагретого до температуры выше температуры эпитаксии, на нем образуется слой, структура которого является продолжением монокристаллической структуры исходного полу­проводника – подложки. Чаще всего в качестве соединения при­меняют хлориды или иодиды германия и кремния с примесью веществ, необходимых для легирования эпитаксиального слоя. Таким образом, эпитаксиальный слой можно получить с тем же типом электропроводности, что и исходный полупроводник – под­ложка, но с другим удельным сопротивлением; а можно полу­чить эпитаксиальный слой с другим типом электропроводности, т. е. создать эпитаксиальный p-n–переход.

По характеру распределения концентрации примеси различают резкие и плавные p-n–переходы. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода, называют резким p-n-переходом. Резкий p-n-переход получается обычно при методе вплавления примеси. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины p-n–перехода, называют плавным p-n–переходом. Плавный переход получают обычно при изготовлении методом диффузии примеси.

По соотношению концентраций основных носителей заряда или соответствующих примесей в p- и n-областях различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. У симметричных p-n-переходов концентрации основных носителей заряда в при­легающих к переходу p- и n-областях приблизительно равны (рр0  nп0). Для несимметричных p-n-переходов справедливо не­равенство pр0 nп0 (или nп0 pр0). В полупроводниковых при­борах обычно существуют несимметричные p-n–переходы. Для обо­значения несимметричных p-n-переходов пользуются следующими символами: p+-n (или n+-p).

1.1.6. Полупроводниковые фотоэлементы


Полупроводниковый фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с выпрям­ляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредствен­ного преобразования световой энергии в электрическую.

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии.




Рис. 1.5. Разделение неравно­весных носителей заряда потен­циальным барьером p-n–перехода при поглощении квантов света в p-n–переходе или вблизи него
Рассмотрим принцип действия фотоэлемента с p-n–переходом в качестве выпрямляющего контакта. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в p-n–переходе и областях полу­проводника, прилегающих к p-n–переходу, происходит генерация новых носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, сущест­вующее в p-n–переходе, производит разделение неравновесных носителей. Другими словами, с точки зрения энергетической диа­граммы p-n–перехода (рис. 1.5) неравновесные электроны скаты­ваются с потенциального барьера и попадают в n-область, а дырки, наоборот, в p-область. В результате накопления электронов в
n-области и дырок в p-области между этими областями возникает до­полнительная разность потенциалов – фото-эдс.

Накопление неравновесных носителей в соответствующих обла­стях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с накоплением дырок в p-области и электронов в n-области происхо­дит понижение высоты потенциального барьера на величину возник­шей фото-эдс. Уменьшение высоты потенциального барьера или уменьшение суммарной напряженности электрического поля в p-n–переходе ухудшает «разделительные свойства» перехода.

Кроме составляющей фото-эдс, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем p-n–перехода или другого потенциального барьера и которая является основной в фотоэлементах, могут быть и другие составляющие. При освещении полу­проводника появляется градиент кон­центрации электронов и дырок, кото­рые диффундируют от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффузии электро­нов и дырок различны. Поэтому воз­никает вторая составляющая фото- эдс (эдс Дембера). Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата но­сителей одного знака возникает третья составляющая фото-эдс в резуль­тате диффузии в глубь полупровод­ника носителей заряда другого знака.

Концентрация образованных при освещении избыточных носителей заряда у p-n–перехода, а следовательно, и величина фото-эдс зависят от интенсивности падающего света. С возрастанием интенсивности света фото-эдс увеличивается, но она не может превысить контактную разность потенциалов (кон), существующую между p- и n-областями p-n–перехода. Если освещенный p-n–пере-
ход включить в замкнутую цепь, то по ней потечет ток, направленный от p- к n-области и приводящий к снижению избыточной концентрации электронов и дырок.

При замыкании p-n–перехода накоротко в цепи возникает максимально возможное значение тока короткого замыкания (). Накопления образованных под действием света носителей заряда в p- и n-областях не возникает, а потенциальный барьер (qкон) будет иметь ту же высоту, что и без освещения.

Если p-n–переход замкнут на внешнее сопротивление нагрузки , то в цепи течет ток и на нагрузке возникает напряжение.

Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и предел его применимости в технике. К основным из них относится: вольт–амперная, световая и частотная характеристики, интегральная чувствительности, к.п.д.

Вольтамперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки от напряжения на фотоэлементе при включении его на различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности . . Эта зависимость имеет вид

, (1.8)

где IФ – фототок, IS – темновой ток фотоэлемента, А – коэффициент, зависящий от толщины p-n–перехода, численное значение которого может быть от 1 до 4.

При (= 0) точка, лежащая на оси токов, соответствует току (). Из (1.8) имеем , т.е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью токов дает значение (рис. 1.6,а).

При () из (1.8) имеем , т. е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-эдс.



а в

Рис. 1.6. Вольтамперная характе­ристика фотоэлемента (а).
Световые характеристики фотоэлемента (в)
Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление , то в цепи установится ток , величина которого определяется качеством фотоэлемента, интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления.

Световые характеристики фото­элемента – это зависимости фото-эдс и тока короткого замыка­ния от светового потока или от осве­щенности фотоэлемента (рис. 1.6, в). Ток в широких пределах изменения светового потока пропорционален ему () , а фото-эдс стремится к насыщению.

Сублинейность световых характеристик связана с уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного за­ряда электронов в n-области и дырок в p-области. Нелинейность между током во внешней цепи и освещенностью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений.

Частотные характеристики выражают зависимость тока в цепи фотоэлемента от частоты модуляции светового потока () при постоянной освещенности и сопротивлении нагрузки []. Когда на поверхность фотоэлемента падает переменный световой поток с частотой модуляции , то сила возникающего при этом тока зависит от . С увеличением сила тока уменьшается из-за инерционности фотоэлементов.

Интегральная чувствительность – отношение тока короткого замыкания цепи фотоэлемента к падающему на фотоэлемент световому потоку

.

В пределах линейной зависимости от величины потока величина постоянная для данного типа фотоэлемента.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента – это отноше­ние максимальной мощности, которую можно получить от фотоэле­мента, к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

.

К основным процессам, приводящим к уменьшению к.п.д. фото­элементов, относят:

– отражение части излучения от поверхности полупроводника;

– фотоэлектрически неактивное поглощение кван­тов света в полупроводнике (без образования пар носителей элек­трон–дырка);

– рекомбинацию неравновесных носителей еще до их разделения электрическим полем выпрямляющего электрического перехода (особенно на поверхности кристалла полупроводника);

– потери мощности при прохождении тока через объемное сопротив­ление базы фотоэлемента.

В результате к.п.д. кремниевых фотоэлементов при преобразо­вании энергии солнечного света в электрическую энергию не превышает в настоящее время 12 %. Однако его можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсенид галлия и другие материалы с несколько большей шириной запрещенной зоны по сравнению с кремнием, а также фотоэлементы на основе гетеропереходов.

Фотоэлементы изготовляют из селена, кремния, германия, сернистого серебра и других полупроводниковых материалов. Они широко применяются в автоматике, измерительной технике, счетно-решающих механизмах, солнечных и атомных батареях и др. устройствах.

Например, селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых близка к спектральной чувствительности человеческого глаза, широко применяются в фотометрических приборах, экспонометрах, фотометрах, цветометрах и др.

Кремниевые фотоэлементы широко применяются в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи).

Сернисто-серебряные фотоэлементы (ФЭСС-У) широко применяются в автоматике для управления исполнительными механизмами, технологическими процессами, в сигнализации, фотометрии и фотоколориметрии.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации