Фізичні основи електроніки (стр. 5 из 9)
Крива дисперсії задається в додатку до вимірювальної установки.
Завдання до лабораторної роботи
1. Ознайомитися з приладами, які використовуються в лабораторній роботі. При необхідності провести юстування оптичної системи установки.
2. Виміряти спектральну залежність величини фотоструму, проводячи вимірювання через 50–100 Ǻ. Результати вимірювань занести в таблицю.
Послідуючий аналіз результатів зручно проводити представивши спектральну залежність фотопровідності у відносних одиницях. Для цього потрібно провести нормування фотоструму до одиниці
,де ІФ(λ) – фотострум при заданій довжині хвилі, ІТ – темновий струм (при відсутності освітлення), ІФ max – максимальне значення фотоструму в умовах досліду.
Провести перерахунок одержаних результатів на одиницю падаючої енергії і на однакову кількість падаючих фотонів, тобто обчислити величини
та 
,де δE(λ) знаходиться з виразу (3.9). Результати обчислень занести в таблицю.
3. Побудувати всі три криві у довільному масштабі на одному графіку.
4. Визначити ширину забороненої зони Eg досліджуваного напівпро-відникового матеріалу, скориставшись для цього спектральним положенням максимуму фотопровідності.
5. Провести вимірювання люксамперних характеристик зразка в області максимуму фотопровідності, змінюючи інтенсивність освітлення з допомогою світлофільтрів.
6. Побудувати люксамперну характеристику у відносних одиницях.
7. Проаналізувати одержані результати та зробити висновки.
Література
[1]. c. 211-236. [2]. c. 221-245. [4]. с. 221–266, 383–395.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4
Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників
Мета роботи: експериментальна перевірка впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників та встановлення механізму впливу.
Необхідні прилади і матеріали: регульоване джерело постійної напруги; мікроамперметр; вольтметр; термостат з системою регулювання та контролю температури.
Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи:
1. Генерація нерівноважних носіїв заряду під дією сильного електричного поля.
2. Вплив електричного поля на рухливість носіїв заряду. “Розігрів” електронного газу.
3. Міждолинне розсіювання. Ефект Ганна.
Основні теоретичні відомості та методика експерименту
Якщо концентрації електронів n та дірок р і, відповідно їх рухливості
, 
не залежать від напруженості електричного поля 
, то залежність густини струму 
описується законом Ома у диференціальній формі: 
, де 
. (4.1)У випадку, коли
, залежність (4.1) не виконується. Це може бути пов’язано з тим, що при великих напруженостях електричного поля може відбуватись зміна концентрації носіїв заряду (польова генерація) та рухливості носіїв заряду.При збільшенні напруженості електричного поля дрейфова швидкість носіїв заряду
зростає і може виявитись, що вона стає порівняною з середньою тепловою швидкістю 
. У цьому випадку рухливість носіїв заряду починає залежати від Е і закон Ома порушується. Поля, при яких проявляється така залежність, називаються сильними. Гранична напруженість ЕК, з якої проявляється помітне відхилення від закону Ома, називається критичною.Збільшення швидкості електронів під дією зовнішнього поля можна трактувати як ефект “збільшення” температури у порівнянні з температурою кристалічної гратки – ефект розігріву електронів. Такі електрони мають енергію, більшу рівноважної теплової енергії, яка відповідає температурі гратки. Їх називають “гарячими” електронами.
Характер розігріву електронів може мати різний характер. В полях з відносно невеликою напруженістю електрони набувають незначну енергію. Але якщо ця енергія виявляється більшою за ту, яку вони втрачають при зіткненнях, то їх швидкість буде поступово зростати і електронний газ буде поступово розігріватись. Так як приріст швидкості направленого руху на довжині вільного пробігу електронами швидко втрачається в наступних зіткненнях, то розігрів електронного газу в цьому випадку зумовлений в основному ростом швидкості хаотичного руху.
В полях високої напруженості, навпаки, розігрів електронного газу відбувається в основному внаслідок направленої складової швидкості руху електронів. З збільшенням
ця складова швидкості руху, а разом з нею і температура електронного газу можуть зростати, очевидно, до тих пір, поки енергія накопичена електронами на довжині вільного пробігу, не виявиться достатньою для збудження оптичних фононів. Зіткнення електронів з граткою стають у цьому випадку непружними і супроводжуються втратою накопиченої ними енергії і появою оптичних фононів.Як показує розрахунок при розсіюванні на акустичних фононах в сильних електричних полях рухливість обернено пропорційна кореню квадратному з напруженості електричного поля:
~ 
. (4.2)Але для випадку розсіювання на оптичних коливаннях іонної гратки при температурі нижче дебаївської одержують
~ 
. (4.3)У більшості випадків мають справу з залежністю (4.2), де з ростом напруженості електричного поля рухливість зменшується.
Зміна концентрації носіїв заряду в сильних електричних полях може відбуватись в результаті дії ряду механізмів. Одним з таких механізмів є термоелектронна іонізація Френкеля.
Електричне поле
, створене в напівпровіднику, змінює енергетичний стан електронів в атомі. На рис. 4.1 пунктиром показана потенціальна яма донорного атома в напівпровіднику при відсутності електричного поля. Яма симетрична відносно осі енергій. Під дією зовнішнього поля яма деформується так як показано на рис. 4.1 суцільною лінією. Енергія активації, необхідна, для теплового викиду електрона з домішкового рівня 
в зонупровідності, зменшується на 
.Як показує розрахунок, це зменшення пропорційне
, внаслідок чого ймовірність теплового збудження електронів у провідний стан зростає в 
( 
– коефіцієнт пропорціональності), що викликає збільшення в концентрації носіїв заряду і електропровідності напівпровідників: 
. (4.4)Співвідношення (4.4) називається законом Френкеля.
Рис. 4.1 Деформація потенціальної ями домішкового атома під дією зовнішнього електричного поля, яка приводить до зменшення енергії активації домішкової електропровідності (ефект Френкеля)
Для більш слабких полів теорія приводить до закону Пуля:
, (4.5)де
– залежний від температури коефіцієнт.Під впливом зовнішнього електричного поля енергетичні зони напівпровідника нахиляються так, як показано на рис. 4.2,а. Це створює умови для двоякого переходу в зону провідності: по вертикалі 1 і по горизонталі 2.
Перехід 1 потребує затрати енергії і здійснюється шляхом теплового збудження або ударної іонізації.
Ударна іонізація відбувається в полях, здатних вільному електрону зону провідності надати енергію, достатню для того, щоб при зіткненні з атомами він був в стані достатньому для їх іонізації. Якщо при цьому іонізуючий електрон залишається в зоні провідності, то число вільних електронів буде неперервно збільшуватись.
Залежно від величини напруженості електричного поля ударна іонізація протікає по різному. В полях низької напруженості електрон на довжині вільного пробігу набуває тільки незначну частку енергії, необхідної для іонізації атома. Але якщо при зіткненнях з атомами електрон втрачає частку енергії меншу, чим набуває на довжині вільного пробігу, то швидкість його буде неперервно зростати і в кінцевому результаті стає достатньою для іонізації атома. Цей випадок показано на рис. 4.2,б. Таку ударну іонізацію називають низьковольтною.