2 - Пермский государственный университет
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Пермский государственный университет” Кафедра радиоэлектроники и защиты информации ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Изучение фотоэлектронных приборов Методические указания к выполнению лабораторной работы Пермь 2009 2 Составители: доц. А. С. Ажеганов, доц. И. Л. Вольхин, УДК 621.38 Твердотельная электроника. Изучение фотоэлектронных приборов: метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С. Ажеганов, И.Л. Вольхин; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2009. –27 с. Рассмотрены зонные диаграммы, статические характеристики фоторезисторов, фотодиодов, фотоэлементов и фототранзисторов, даны рекомендации по выполнению лабораторной работы. Издание соответствует программе курса «Твердотельная электроника». Предназначено для студентов физического факультета специальности «Радиофизика и электроника». Ил.19. Библиогр. 6 назв. Печатается по постановлению методической комиссии физического факультета Пермского государственного университета 3 ВВЕДЕНИЕ Настоящее издание продолжает серию описаний лабораторных работ по курсу “Твердотельная электроника”. Для успешного выполнения лабораторной работы “Изучение фотоэлектронных приборов” необходим базовый уровень знаний по теории p–nперехода. Поэтому перед выполнением лабораторной работы необходимо самостоятельно изучить этот вопрос с использованием конспекта лекций и рекомендованных учебников по курсу “Твердотельная электроника”, а также методических указаний: “Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов” и “Изучение статических характеристик биполярных транзисторов”. 1. ФОТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ 1.1. Поглощение света в полупроводниках Внутренний фотоэффект – это процесс ионизации атомов полупроводника под действием света, приводящий к образованию добавочных, неравновесных носителей заряда. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью. На рис. 1 изображены уровни энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wv в собственном полупроводнике. Ширина запрещенной зоны ΔW = Wc − Wv. Если энергия кванта света hν ≥ ∆W, Wc Wv hν5 hν3 hν4 hν2 hν1 hνпорог W hν6 Рис. 1. Примеры разрешенных и неразрешенного (пунктир) переходов электронов под действием света 4 где h = 6.626∙10–34 Дж∙с – постоянная Планка, ν – частота, то возможно собственное поглощение, при котором электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости. В результате собственного поглощения происходит образование пары свободных носителей заряда – электрона и дырки. Существуют правила отбора при фотоэлектрических переходах из одной энергетической зоны в другую. По закону сохранения импульса, свободный электрон и дырка должны иметь в момент образования равные импульсы. Импульсом поглощаемого фотона p = h/λ ввиду его малости можно пренебречь. Энергия и импульс свободного электрона измеряются вверх от нижнего уровня дна зоны проводимости Wc. Энергия и импульс дырки измеряются вниз от верхнего уровня валентной зоны Wv. Таким образом, при образовании пары электрон-дырка, свободный электрон и дырка должны занимать уровни, симметричные относительно соответствующих границ зон (рис. 1). Энергия кванта, необходимая для перехода с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости hνпорог = ΔW, определяет пороговую длину волны (красную границу) фотоэффекта λпорог = c/νпорог = hc/ΔW. При поглощении фотонов с λ < λпорог происходит переход электронов с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости. При длинах волн, больших граничной, энергия фотонов недостаточна для образования электроно-дырочных пар. Однако оптическое поглощение все же происходит, поскольку фотоны могут поглощаться имеющимися в полупроводнике собственными носителями заряда – электронами и дырками. В полупроводниках с большой концентрацией примесей и при очень низких температурах (при которых примеси термически не ионизированы) наблюдается поглощение при больших длинах волн, соответствующих энергиям ионизации донорных и акцепторных примесей. 1.2. Фотопроводимость полупроводников Пусть на поверхность полупроводника падает монохроматический поток света Фλ (Дж/с) с длиной волны λ ≤ hc/ΔW, где с = 2.998∙108 м/с – скорость света в вакууме. Число квантов света, входящих в полупроводник в единицу времени (без учета отражения света от поверхности) N = Фλ/hν. Чисто пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), возникающих в полупроводнике под действием света в единицу времени 5 Ф dnФ dp (1.1) Ф kN k , h dt ген dt ген где k – коэффициент поглощения света в полупроводнике. Коэффициент β называют квантовым выходом. Он определяет число пар носителей заряда, образуемых одним поглощенным фотоном. Обычно β ≤ 1. Одновременно с генерацией неравновесных носителей заряда идет процесс их рекомбинации. В собственном полупроводнике с очень малой концентрацией равновесных носителей заряда n0 и p0 скорость рекомбинации пропорциональна квадрату концентрации неравновесных носителей (квадратичная релаксация): dnФ dp Ф nФ pФ nФ2 pФ2 . dt рек dt рек (1.2) Изменение концентрации неравновесных носителей в единицу времени равно разности между скоростями генерации и рекомбинации: Ф Ф dnФ dрФ k nФ2 , k рФ2 . (1.3) dt h dt h Установившееся значение концентрации электронов и дырок dnФ dрФ 0 и 0 пропорционально корню квадратному из dt dt интенсивности света nФ pФ k Ф . h (1.4) Генерация неравновесных носителей заряда под действием света приводит к увеличению электропроводности полупроводника σС = σТ+σФ, где: σТ = q(n0μn+p0μp) – темновая проводимость, σФ = q(nФμn+pФμp) – фотопроводимость проводника, q = 1.6∙10–19 Кл – элементарный заряд, μn и μp (м2/В∙с) – подвижности электронов и дырок соответственно (т.е. средние скорости их перемещения вдоль направления электрического поля при напряженности Е = 1 В/м). В общем случае можно считать, что фотопроводимость Ф G Ф , (1.5) 6 где G – постоянный коэффициент, зависящий от материала и размеров полупроводника. 1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости Спектральная зависимость фотопроводимости определяется спектром поглощения полупроводника. Область собственного поглощения имеет длинноволновую (красную) границу, соответствующую длине волны света λпорог = hc/ΔW (рис. 2 и 3). Рис. 2. Нормированная спектральная характеристика для различных фоторезисторов Iф/Iф max 1.0 1 2 0.5 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 λ, мкм Рис. 3. Нормированная спектральная характеристика для фотодиодов: 1 – германиевых, 2 – кремниевых 7 С ростом энергии фотонов λ < λпорог фотопроводимость резко увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается (синяя граница фотопроводимости). В районе синей границы весь световой поток поглощается в приповерхностном слое полупроводника, при этом за счет поверхностной рекомбинации время жизни τ носителей заряда резко уменьшается. Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от десятых долей электрон-вольта до двух трех электрон-вольт, фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой (λ = 0.40÷0.76 мкм) или ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн. По длинноволновому краю фотопроводимости может быть определена ширина запрещенной зоны полупроводника. Из рис. 2 видно, что пороговая длина волны для германия λпорог = 1.8 мкм и лежит в инфракрасной области спектра. Отсюда широна запрещенной зоны для германия ΔW = hc/λпорог = 0.72 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния ΔW = 1.12 эВ и пороговая длина волны λпорог =1.15 мкм также лежит в инфракрасной области спектра. Области примесного поглощения находятся в длинноволновой (дальней инфракрасной) области спектра. Примесная фотопроводимость обычно значительно меньше собственной, т.к. концентрация атомов примеси на много порядков меньше концентрации атомов основной решетки. 1.4. Фоторезисторы Полупроводниковые приборы, работа которых основана на использовании внутреннего фотоэффекта, называются фоторезисторами. Конструкция фоторезистора и включение его в электрическую цепь схематично показаны на рис. 4. Фоторезистор представляет собой Ф R U диэлектрик полупроводник + – металлические контакты Рис. 4. Конструкция фоторезистора и включение его во внешнюю цепь 8 тонкий слой поликристаллического полупроводникового материала, нанесенного на диэлектрическую подложку. В качестве фоточувствительного материала обычно используют сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe, сульфид свинца PbS или селенид свинца PbSe. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды. Если фоторезистор включен во внешнюю цепь последовательно с источником напряжения U, то в отсутствие освещения через него течет темновой ток Iт = σтU. (1.6) При освещении его поверхности в цепи течет световой ток Iс = σсU = σтU+σфU. (1.7) Разность между световым током и темновым током называется фототоком Iф = Iс−Iт.= σфU. (1.8) Вольтамперными характеристиками (ВАХ) фоторезистора называются зависимости темнового тока, светового тока и фототока от приложенного к фоторезистору напряжения при постоянной величине светового потока, падающего на фоторезистор (рис. 5). ВАХ имеют слабую I 2 нелинейность при малых напряжениях, что связанно с Iсв потерей энергии при туннелировании электронов Iф через небольшие 1 потенциальные барьеры, Iтем между отдельными зернами 0 или кристаллами Uраб U полупроводника. При повышении U энергия электронов становится Рис. 5. Вольт-амперная существенно больше характеристика фоторезистора: энергии необходимой для 1 – в темноте, 2 – при туннелирования, и ВАХ освещении становится линейной. При больших напряжениях температура фоторезистора повышается из-за мощности электрического тока (Джоулева тепла), выделяющейся в фоторезисторе P = UI и ВАХ снова становится нелинейной. 9 1.5. Основные характеристики и параметры фоторезисторов 1. Темновое сопротивление фоторезистора Rтем, т.е. сопротивление при отсутствии освещения (Rтем = 104÷108 Ом). 2. Максимально допустимая мощность рассеяния Рmax (Рmax =0.05÷0.10 Вт). 3. Максимальное рабочее напряжение Umax (Umax =10÷100 В). 4. Спектральная характеристика, т.е зависимость фототока Iф фотопроводимости σф или фотосопротивления Rф = 1/σф от длины волны падающего света. Максимумы этих характеристик лежат в видимой или инфракрасной частях спектра (рис. 2). 5. Световая характеристика фоторезистора, т.е. зависимость фототока или фотопроводимости от Iф величины освещенности Iф = f(Е) или σф = f(Е) (или падающего светового потока Ф = ЕS, см. приложение 1) при постоянном напряжении, приложенном к резистору (рис. 6). При малых освещенностях световые характеристики близки к линейным. При больших освещенностях начинается отступление Е от линейности и зависимость фототока Рис. 6. Световая (фотопроводимости) может быть характеристика описана законом (1.5) фоторезистора I ф GU E , ф G E (1.9) На практике обычно используют интегральные световые (люксамперные) характеристики фоторезисторов, полученные при освещении фоторезистора светом лампы накаливания, вольфрамовая нить которой нагнета до температуры Т = 2849 К (рис. 6). 6. Интегральная чувствительность Kинт фоторезистора, т.е. отношение фотопроводимости к величине освещенности его поверхности ф I ф 1 мА . (1.10) K инт , E U E В лк При определении интегральной чувствительности освещение фоторезисторов производят лампой накаливания, вольфрамовая нить которой нагрета до 2840 К. 10 Из световой характеристики следует, что интегральная чувствительность фоторезисторов убывает с возрастанием освещенности. 7. Кратность изменения сопротивления, т.е. отношение Rтем/Rcв = Ic/Iт, (1.11) где Rтем – темновое, а Rcв – световое сопротивление, которые определяяются в темноте и при освещенности Е = 200 лк соответственно. 8. Постоянная времени спада фототока τ, т.е. время, в течение которого фототок уменьшается в e раз после прекращения освещения фоторезистора. Постоянная времени τ характеризует инерционность фоторезистора и определяется временем жизни неосновных носителей. Фоторезисторы различных типов имеют постоянные времени от 0.1 до 100 мс. 2. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p–n-ПЕРЕХОДА 2.1. Воздействие света на p–n-переход Зонная диаграмма освещенного p–n-перехода с “толстой” базой l > Ln, где l – толщина базы, а Ln – средняя длина диффузии электронов в базе, приведена на рис. 7. 11 база, p-типа эмиттер n+-типа p–n-переход E Фλ nn np Wc q(φ0–φф) WF W Wv pp pn l Ln InDф+IpDф dобр Lp Iф InE+IpE Рис. 7. Зонная диаграмма освещенного p–n-перехода с “толстой” базой l > Ln В невырожденных легированных полупроводниках концентрации основных носителей nn и pp (электронов в n-области и дырок в робласти) велики по сравнению с концентрацией собственных носителей ni и pi: nn >> ni и pp >> pi. На границе раздела р- и n-областей образуется слой, обедненный основными носителями заряда, который называется р–n-переходом. Между р- и n-областями возникает электрическое поле Е и контактная разность потенциалов φ0, созданные неcкомпенсированными зарядами донорных и акцепторных примесей в обедненном слое. Потенциал n-области положителен по отношению к р-области (в обедненном слое). Через р–n-переход происходит диффузия основных носителей заряда (электронов из области n- в область р-полупроводника и дырок из области р- в область n-полупроводника) и дрейф неосновных носителей (электронов из р- в n-область и дырок из n- в р-область). Таким образом, через р–n-переход протекают четыре тока: два диффузионных (InD и IpD) и два дрейфовых (InE и IpE). В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: каждая из компонент тока (и электронная In = InD–InЕ = 0 и дырочная Ip = IpD–IpЕ = 0) равны нулю и общий ток I = In+Ip равен нулю. 12 При поглощении квантов света в p–n-переходе и в прилегающих к нему областях полупроводника, образуются новые носители заряда – пары электрон-дырка. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p–n-переходу областях, не превышающих средней диффузионной длины Ln для электронов и Lр для дырок, диффундируют к p–n-переходу и проходят через него под действием электрического поля Е. При этом возрастает дрейфовый ток через р–nпереход на величину Iф. Величина фототока Iф пропорциональна числу квантов света, поглощенных в слое L = Ln+d+Lр (рис. 7): Iф = qχβkSLN = qχβkSLФλ/hν = KλФλ, (2.1) где β – квантовый выход, k – коэффициент поглощения света, χ – коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинировавших носителей заряда от общего количества носителей, возникших под действием света, S – площадь p–n-перехода. Таким образом, освещение полупроводника приводит к нарушению термодинамического равновесия. Возникший в результате световой генерации пар электрон-дырка фототок приводит к накоплению основных носителей заряда в n- и р-областях полупроводника, между которыми возникает дополнительная (к контактной φ0) разность потенциалов (фото-ЭДС) φф, что понижает общую разность потенциалов p–n-перехода φ = φ0–φф и уменьшает величину потенциального барьера qφ =q(φ0–φф) для основных носителей. Вследствие этого возрастает дрейфовый ток основных носителей InDф и IpDф (рис. 6, точечные пунктиры). В стационарном состоянии потоки зарядов через p–n-переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга –Iф–InE–IpE+InDф+IpDф = 0. (2.2) Между р- и n- областями полупроводника устанавливается разность потенциалов – фото ЭДС φф. 2.2. Фотодиоды Фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним p–nпереходом называется фотодиодом. Структурная схема фотодиода и его изображение на принципиальных схемах приведены на рис. 8. 13 Iб управляющий световой поток Ф Металлический электрод катода Защитное стекло n – базаIs Ф=0 Ф1 электрод 0 IФ1 IФ2 Ф2 а) IФ3 Фp3 – эмиттер U Металлический электрод Рис. 9. Вольт-амперная характеристика фотодиода: Ф=0 – без б) освещения, при освещении Ф1 < Ф2 < Ф3 VD Рис. 8. а) Структура фотодиода, б) изображение фотодиода на принципиальных схемах Вольтамперная характеристика p–n-перехода (рис. 9) может быть записана в виде: qU I I s exp 1 I ф . kT (2.3) При обратном смещении p–n-перехода резко возрастает потенциальный барьер для основных носителей заряда и ток через переход определяется потоком неосновных носителей, которые проходят через него под действием электрического поля Е. Темновой обратный ток через фотодиод равен Is; при освещении обратный ток возрастает на величину Iф за счет появления добавочных неосновных носителей заряда Iобр = Is+Iф. (2.4) Величина обратного тока почти не зависит от приложенного напряжения. Световая характеристика фотодиода Iобр = f(Е) является линейной в широком диапазоне изменения освещенности Е. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода существенно меньше средней длины диффузии неосновных носителей заряда l < Ln (фотодиод с “тонкой” базой). Поэтому практически все возникшие в базе в результате световой генерации, неосновные носители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока. 14 При прямом смещении p–n-перехода понижается потенциальный барьер и через p–n-переход начинает протекать ток, созданный диффузией основных носителей заряда. При напряжении U = φф диффузионный ток полностью компенсирует дрейфовый ток и результирующий ток через переход равен нулю (2.2). VD При U > φф прямой ток быстро + Rн U возрастает и вольтамперные – характеристики освещенного и затемненного фотодиодов практически совпадают. Рис. 10. Схема включения В большинстве применений фотодиода фотодиоды используют в режиме обратного смещения p–n-перехода (рис. 10). Если световой поток модулирован, то на сопротивлении нагрузки Rн появляется напряжение сигнала, пропорциональное изменениям светового потока. Одним из основных параметров фотодиода является интегральная чувствительность Кф = Iф/Ф. (2.5) Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их малая инерционность. Инерционность диффузионных диодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей заряда через базу и имеет порядок десятков наносекунд. Спектральная характеристика фотодиодов (рис. 3) при больших длинах волн ограничивается шириной запрещенной зоны λпорог = hc/ΔW. В области малых длин волн – большим показателем поглощения и увеличением скорости поверхностной рекомбинации с уменьшением длины волны. Фотодиоды находят широкое применение в измерительной технике (фотометрия), автоматике, устройствах сигнализации, волоконно-оптических линиях связи, вычислительной технике (фотосчитывающие устройства CD, сканеры), и т.д. Перспективным направлением является изготовление фотодиодов на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник или гетероперехода. Это позволяет повысить их быстродействие, увеличить чувствительность и получить более широкую спектральную характеристику. 2.3. Полупроводниковые фотоэлементы 15 В полупроводниковом фотоэлементе с p–n-переходом происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую. Структура кремниевого фотоэлемента приведена на рис. 11. Он представляет собой свет плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n+-типа. Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или рамки на n+ p + – нижней поверхности фотоэлемента, Рис. 11. Конструкция оставив всю верхнюю поверхность кремниевого фотоэлемента кристалла открытой для освещения. Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода (рис. 9). Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении) соответствуют фотодиодному режиму работы p–n-перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадранте – режиму генерации фото-ЭДС. Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по цепи I Uхх1 Uхх1 Uхх2 0 U Рmax VD + Iкз1 Ф1 Iкз2 Ф3 Iн Rн опт Рис. 12. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента при освещении Ф1 < Ф2 Rн U – Рис. 13. Схема включения фотоэлемента потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям токов короткого замыкания (Rн = 0). Из уравнения (2.3) при U = 0 и уравнения (2.5) получим Iкз = –Iф = –Kинт Ф. (2.6) 16 Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента Iкз = –KλЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания Iкз/S = 20÷25 мА/см2 = 200÷250 А/м2 при средней освещенности солнечным светом. Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при Rн = ∞) соответствуют значениям фото-ЭДС φ0 или напряжениям холостого хода Uхх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно найти напряжение холостого хода: kT K интФ kT I ф (2.7) ln 1 ln 1 . q Is q Is где Is = InE+IpE – обратный ток p–n-перехода. Формула (2.7) справедлива, пока концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ 0. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади p–n-перехода фотоэлемента. По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки Rн опт, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная мощность Рmax. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат I = -U/Rн (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение Uн и ток нагрузки Iн. Мощность выделяемая в нагрузке Pн = Uн∙|Iн|. Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке Uн = 0.35÷0.4 В и J = 15÷20 мА/см2. Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт. Световые Uхх, В Iкз, мА характеристики фотоэлемента рис. 14 800 показывают зависимость 600 напряжения холостого хода 0.4 Uхх = φф и тока короткого 1 400 замыкания Iкз = Iф от освещенности, создаваемой 0.2 2 200 лампой накаливания с U хх ф 0 50 100 150 200 Е, лк Рис. 14. Световые характеристики фотоэлемента: 1 – Uхх =f(E), 2 – Iкз = f(E) 17 температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: Uхх = f(E) и Iкз = f(E). Зависимость Iкз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму освещенности (рис. 14, штриховая линия). Отношение Кинт = Iкз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента. Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света Iкз = f(λ) при Е = const. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов (рис. 3) почти совпадает с максимумом спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей. Коэффициент полезного действия фотоэлемента η = Рmax/Рф, где Рф – мощность светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Теоретический предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%. Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон – дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем в p– n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода. 3. БИПОЛЯРНЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР Биполярный фототранзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером (рис. 15). В этом фототранзисторе нет базового электрода. Падающий свет облучает область базы. При этом в базе происходит процесс световой Rн генерации пар электрон – дырка, как hν + U VТ показано на зонной диаграмме (рис. – 16). Дырки в базе оказываются сосредоточенными в потенциальной прозрачное яме и не могут покинуть базу. окошечко Накопившийся дырочный заряд Рис. 15. Схема включения понижает потенциальный барьер фототранзистора перехода база-эмиттер и электроны из 18 эмиттер n+-типа Ψэ=q(э−φф) эмиттерный база, переход p-типа открыт Eэ hν hν колекторный переход закрыт Eк коллектор n-типа Inк Wc WF ψк=q(к+Uк) Uэ “световые” Wv dэ* “тепловые” электроны и дырки dк* Uк + − Рис. 16. Зонная диаграмма фототранзистора n–p–n-типа включенного по схеме с общим эмиттером эмиттера инжектируются в базу, где являются неосновными носителями. Электроны диффундируют через область базы и втягиваются электрическим полем обратносмещенного коллекторного перехода. Попав в область коллектора электроны становятся основными носителями и создают ток во внешней цепи. Таким образом, базовым током фототранзистора является фототок Iф, который приводит к появлению электронной составляющей коллекторного тока Iк = βIф, где β – коэффициент усиления базового тока транзистора. Дырочная составляющая коллекторного тока Iко мала и на зонной диаграмме не показана. Поскольку в фототранзисторе происходит усиление фототока, то его интегральная чувствительность Kинт = βIф/Ф в β раз больше интегральной чувствительности фотодиода. Недостатком фототранзистора без базового электрода является сильная температурная зависимость коллекторного тока, так как дырочный заряд в базе накапливается не только в результате световой, но и тепловой генерации пар электрон – дырка. И “тепловую” дырку нельзя отделить от “световой”. Для температурной стабилизации 19 изготавливают транзистор с электрическим выводом используют схему температурной стабилизации, но фоточувствительность транзистора падает. базы и в этом 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Цель работы: Получить вольт-амперные характеристики и люксамперные характеристики фоторезисторов, фотодиодов и фотоэлементов. Приборы и принадлежности: установка для исследования люксамперных характеристик фоторезисторов, фотодиодов и фотоэлементов, источник постоянного тока MPS-3003LK-2, вольтметры В7-78/1 или аналогичные, исследуемые фоторезисторы, фотодиоды и фотоэлементы. Задание 1. Исследование фоторезистора: 20 1.1. Собрать установку для исследования вольт-амперных характеристик фоторезистора при различных освещенностях Е, как показано на рис. 17. Для этого вставить держатель с фоторезистором R Вид сверху Винт 3 Раздвижной мех Е 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 R Винт 2 Вид сбоку Источник питания MPS-3003LK-2 Винт 1 Держатель фоторезистора x S Rб Е - GND + R 0-30В U 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 Винт 2 Подставка П ~220В Рис. 17. Установка для снятия люкс-амперных характеристик фоторезистора в подвижную часть раздвижного меха и закрепить винтом 1. Собрать электрическую схему установки. Установить минимальное расстояние х = 90 делений шкалы между источником света – лампой накаливания S и фоторезистором R. 1.2. Подготовить источник питания MPS-3003LK-2 к работе: 21 - ручки регулятора напряжения VOLTAGE установить: верхнюю COARSE (грубо) и нижнюю FINE (плавно) в крайние левые положения, при этом напряжение на выходе равно нулю; - ручки регулятора тока CURRENT установить: верхнюю COARSE (грубо) на минимум в крайнее левое положение, нижнюю FINE (плавно) в среднее положение; - подключить вилку в сеть; - выключатель питания POWER нажать и включить прибор − загорится зеленый индикатор CV (прибор находится в режиме стабилизации напряжения); - нажать кнопку подключения выходных клемм OUTPUT − загорится красный индикатор подключения выходных клемм прибора OUT. На дисплеях вольтметра VOLTAGE DISPLAY и амперметра CURRENT DISPLAY будут индицироваться напряжение в вольтах и ток в амперах (в данном случае нули). 1.3. По справочнику или прилож. 2 определить основные характеристики фоторезистора R. Выбрать рабочее напряжение Uр и шаг изменения напряжения ΔU так, чтобы при измерении ВАХ в диапазоне 0÷ Uр получилось 8÷10 точек. 1.4. Снять ВАХ фоторезистора I = f(U) при выключенной лампе S (Е = 0) и при Е = 200 лк. При измерениях не превышать рабочее напряжение Uр. Расстояния х, соответствующие значению Е = 200 лк, определить по калибровочному графику прилож. 1. Перемещение фоторезистора в пределах х = 90÷190 единиц деления шкалы производится вращением винта 2. При дальнейшем перемещении х = 190÷290 необходимо ослабить винт 3, вручную переместить раздвижную часть меха до нужной риски и закрепить винт 3. 1.5. Снять люкс-амперную характеристику фоторезистора Iсв = f(Е) при постоянном напряжении U = Uраб в диапазоне изменения освещенности от 0 до 250 лк. 2. Исследование фотодиода: 2.1. По справочнику или прилож. 2 определить основные характеристики фотодиода. По величине рабочего напряжения Uр выбрать шаг изменения напряжения ΔU так, чтобы при измерении обратной ветви ВАХ получилось 6÷10 точек. 2.2. В установку рис.17 установить держатель с фотодиодом VD. Снять на прямую и обратную ветви ВАХ фотодиода I = f(U) без освещения Е = 0 и при трех-четырех уровнях освещенности Е. При измерениях на прямой ветви сделать пять-семь измерений. Величина прямого тока не должна превышать Iпр = 10 мА. При измерениях на обратной ветви не превышать рабочее напряжение Uр. 22 2.3. Снять световую (люкс-амперную) характеристику фотодиода Iобр = f(Е) при рабочем напряжении Uобр = Uраб на диоде. 3. Исследование фотоэлемента: 3.1. В установку рис. 17 установить держатель с фотоэлементом VD. Вместо источника питания подключить сопротивление нагрузки магазин сопротивлений Р-33 или аналогичный (рис. 18). При Rб Е Rн VD Рис. 18. Схема установки для снятия амперлюксовых характеристик фотоэлемента постоянной освещенности Е снять зависимость мощности выделяемой в нагрузке P = UI от сопротивления нагрузки Rн =U/I . 3.2. Исследовать зависимость фото ЭДС φф, тока короткого замыкания Iкз от освещенности Е (при измерениях в качестве нагрузки фотоэлемента использовать вольтметр V и амперметр A соответственно). 3.3. Снять ВАХ фотоэлемента (только в четвертом квадранте как показано на рис. 12) при различных освещенностях Е от 100 до 250 лк. Регулировка тока фотоэлемента производится путем изменения сопротивления нагрузки Rн (не забудьте записывать величину установленного сопротивления). Обработка результатов измерений 1. Для фоторезистора: 1.1. Построить ВАХ фоторезистора: темновую и световую при освещенности Е = 200 лк. 1.2. Рассчитать величину фототока Iф = Iсв−Iтем при Е = 200 лк и U = Uр. 1.3. Рассчитать темновое Rтем и световое Rсв (при Е = 200 лк) сопротивления, найти кратность изменения сопротивления фоторезистора Rтем/Rсв (см.уравнение (1.11)). 23 1.4. Построить световую характеристику фоторезистора Iф = f(Е) при рабочем напряжении Uр. Величина фототока находится как Iф = Iсв−Iтем, где Iтем – сила тока через фоторезистор при E = 0. Световые характеристики построить в координатах Iф = f(Е) и I ф f E (см.уравнения (1.5 и (1.9)). 1.5. Рассчитать интегральную чувствительность фоторезистора Kинт = σф/Е = Iф/UE, (Ом–1∙лк–1) (см. уравнение (1.10)). 2. Для фотодиода: 2.1. Построить семейство ВАХ фотодиода U = f(I) при различных освещенностях Е. 2.2. Построить световую (люкс-амперную) характеристику фотодиода Iобр = f(Е) при Uр. 2.3. Рассчитать интегральную чувствительность фотодиода Kинт = Iф/Ф при Е = 200 лк и рабочем напряжении Uраб. Световой поток Ф = ЕS, где S – площадь прозрачного окна в корпусе светодиода. 3.Для фотоэлемента: 3.1. Построить ВАХ фотоэлемента при различных освещенностях Е, как показано на рис. 12. 3.2. Построить графики зависимости мощности в нагрузке от величины фототока P = f(Iн) и от величины сопротивления нагрузки P = f(Rн) при освещенности фотоэлемента Е = 200 лк. При построении P = f(Iн) и P = f(Rн) используются значения Uн и Iн точек на кривой ВАХ фотоэлемента. Величины Р = Uн Iн и Rн = Uн/Iн могут быть найдены для каждой точки на кривой. 3.3. Из графика P = f(Rн) найти Rн опт и Pmax. На графике ВАХ построить нагрузочную прямую Iн = – U/Rн опт. В точке пересечения нагрузочной прямой с ВАХ рассчитать мощность в нагрузке P, как показано на рис. 12. Сравнить полученные результаты. 3.4. Найти плотность тока короткого замыкания J = Iкз/S = f(E), плотность тока при оптимальной нагрузке J = Iн/S и освещенности Е = 200 лк. Площадь поверхности фотоэлемента измерить самостоятельно или считать с этикетки на держателе фотоэлемента. 3.5. Построить световые характеристики фотоэлемента – люксвольтовую Uхх = f(Е) и люкс-амперную∙|Iкз| = f(Е). Найти интегральную чувствительность фотоэлемента Kинт = Iкз/Ф при Е = 200 лк. 4. Сравнить полученные результаты со справочными данными. 24 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Поглощение света в полупроводниках. 2. Фоторезистивный эффект. 3. Конструкция фоторезистора. 4. Основные характеристики фоторезистора. 5. Фотодиоды конструкция и прилип действия. 6. Зонная диаграмма фотодиода. 7. Основные характеристики фотодиодов. 8. Принцип действия полупроводниковых фотоэлементов. 9. Основные характеристики фотоэлементов. 10. Биполярный фототранзистор: принцип действия, зонная диаграмма, включение в схему и основные характеристики. 11. Объяснить экспериментально полученные вольт-амперные, люкс-амперные и др. характеристики. Рекомендованный список литературы 1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб., 2006. 480 с. 2. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Основы полупроводниковой электроники. М., 2005. 392 с. 3. Гуртов В. Твердотельная электроника. М., 2005. 408 с. 4. Изучение статических характеристик полупроводниковых приборов: Метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С.Ажеганов, И.Л.Вольхин; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2007. – 24 с. 5. Изучение статических характеристик биполярных транзисторов. Метод. указ. к выполнению лаб. раб. / сост. А.С.Ажеганов, И.Л.Вольхин, Н.Н.Коротаев; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2007. – 21 с 6. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: справочник. М., Радио и связь, 1987. 25 Приложение 1. E, лк 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 х, делений шкалы Рис. 19. Калибровочный график освещенности Е фотоприбора в зависимости от расстояния х до источника света в установке рис. 17 Приложение 2. Основные электрические и световые параметры фоторезисторов Тип Размеры фоточувст вительног о элемента, мм Рабоче е напряж ение Uр, В Темновое сопротивл ение Rт, МОм ФС -6А Ø14 с отверстие м Ø5 5÷30 0.047÷0.33 Отношение темнового сопротивле ния к световому Rт/ Rсв, не менее 1.1 Максимал ьная мощность излучения Pmax, мВт не более 10 Материал фоточувствительного элемента – сульфид свинца PbS. 26 Приложение 3. Основные электрические и световые параметры фотодиодов “Плюсовой” вывод фотодиода маркируется точкой на корпусе или цветной меткой. Тип фотодиода ФД-7К ФД-27К Размер фоточувствительного элемента Диапазон длин волн Δλ, мкм λмакс, мкм Рабочее напряжение Uр, В Темновой ток Iт, мкА, не более Интегральная чувствительность, Kинт мА/лм, не менее Время восстановления τ, с, не более Ø10мм 1.9×1.9 0.4÷1.1 0.4÷1.1 0.82÷0.86 27 0.80÷0.95 20 5 2.5 0.47 7.5·10–3 10–5 10–5 Приложение 4. Единицы измерения световых величин Потоком энергии Ф электромагнитной волны называется количество энергии, переносимое электромагнитной волной через некоторую поверхность за единицу времени. Единица измерения потока энергии 1 Дж/с или 1 Вт. Для измерения энергии, переносимой электромагнитной волной оптического диапазона (λ = 0.40÷0.76 мкм) используются фотометрические (световые) единицы. В фотометрии световым потоком Ф называют мощность светового излучения, оцениваемую по его воздействию на человеческий глаз. Световой поток измеряют в люменах (лм). Для монохроматического излучения с длиной волны λ = 0.555 мкм, при которой чувствительность глаза максимальна, световой поток равен 683 лм если мощность излучения (поток энергии) равен 1 Вт. 27 Силой света I точечного источника называется величина светового потока, излучаемого внутри единичного телесного угла I = Ф/Ω. Телесный угол Ω определяется как отношение площади S поверхности шарового сегмента к квадрату радиуса сферы Ω = S/r2. r Ω Ф S Единицей силы света является кандела (кд) 1 кд = 1 лм/стерадиан. Источник излучения с λ = 0.555 мкм и силой света I = 1 кд излучает внутри телесного угла в 1 стерадиан поток энергии Ф = 1/683 Вт. Освещенностью Е поверхности называется световой поток, приходящийся на единицу площади освещаемой поверхности Е = Ф/S. Световой поток в 1 лм, равномерно распределенный по площади 1 м 2, создает освещенность в 1 люкс (лк). Освещенность, которую создает точечный источник с силой света I на поверхности, удаленной на расстояние r от источника I cos i E , r2 где i – угол падения. Яркость светящейся поверхности S численно равна силе света, излучаемой единицей поверхности в направлении, перпендикулярнрм этой поверхности B = I/S. За единицу яркости (1 кд/м2) принимают яркость такого источника, который излучает с 1 м2 светящейся поверхности свет силой 1 кд. 28 Содержание Введение 1. Фоторезистивный эффект 1.1. Поглощение света в полупроводниках 1.2. Фотопроводимость полупроводников 1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости 1.4. Фоторезисторы 1.5. Основные характеристики и параметры фоторезисторов 2. Фотоэлектрические свойства p–n-перехода 2.1. Воздействие света на p–n-переход 2.2. Фотодиоды 2.3. Полупроводниковые фотоэлементы 3. Биполярный фототранзистор 4. Порядок выполнения работы 5. Контрольные вопросы Рекомендованный список литературы Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4 3 3 3 4 6 7 9 10 10 12 14 17 18 23 23 24 24 25 25 29 Методическое издание Составители Ажеганов Александр Сергеевич Вольхин Игорь Львович ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Изучение фотоэлектронных приборов Методические указания к выполнению лабораторной работы Издается в авторской редакции Подписано в печать 09.12.2009. Формат 608416. Усл. печ. л. 1,65. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 50 экз. Заказ . Редакционно-издательский отдел Пермского государственного университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15 Типография Пермского государственного университета 614990. Пермь, ул. Букирева, 15 30 E, лк 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 х, делений шкалы Рис. 19. Калибровочный график освещенности Е фотоприбора в зависимости от расстояния х до источника света в установке рис. 17 E, лк 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 31 Рис.3. Нормированная спектральная характеристика для различных фоторезисторов Iф/Iф max 1.0 1 2 0.5 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 λ, мкм Рис.4. Нормированная спектральная характеристика для фотодиодов: 1 – германиевых, 2 – кремниевых E, лк 32 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 х, делений шкалы Рис. 19. Калибровочный график освещенности Е фотоприбора в зависимости от расстояния х до источника света в установке рис. 17 E, лк 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 300 х, делений шкалы Рис. 19. Калибровочный график освещенности Е фотоприбора в зависимости от расстояния х до источника света в установке рис. 17
