Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
35
Теоретическая часть контрольной работы заключается в ответе на теоретические вопросы, идущие после изучаемой темы. Номер вопроса соответствует. Выбранному варианту.
Каждый студент определяет свой вариант по таблице 2 следующим образом: цифра по горизонтали — последняя цифра зачетной книжки студента, буквы по вертикали — первая буква фамилии студента. Так, например студент Иванов с последним номером зачетной книжки — 5, согласно таблице 1 должен выполнять задания контрольных работ по варианту №16.
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
|
А-Г |
1 |
8 |
5 |
9 |
10 |
11 |
4 |
12 |
11 |
13 |
|
Д-И |
14 |
2 |
6 |
1 |
8 |
3 |
8 |
12 |
3 |
10 |
|
К-Л |
13 |
1 |
3 |
4 |
2 |
5 |
13 |
2 |
9 |
3 |
|
М-О |
4 |
7 |
5 |
2 |
6 |
14 |
7 |
8 |
1 |
5 |
|
П-С |
15 |
7 |
14 |
8 |
11 |
6 |
10 |
7 |
2 |
1 |
|
Т-Я |
9 |
10 |
6 |
11 |
5 |
12 |
7 |
13 |
6 |
14 |
Физика полупроводников
и полупроводниковых приборов
Исследование полупроводниковых диодов ………8
Опорные диоды…………………………...……..15
Туннельные диоды…………………...………….19
Фотодиоды………………………………...……..25
Варисторы ………………………………..……..34
Терморезисторы…………...…………………….41
Фоторезисторы………………………………......52
Магниторезисторы...…………………………….65
1.1 .Физические явления, происходящие на p-n-переходе.
Основу полупроводникового диода составляет p-n-переход. Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.
φ
a)
n
p
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
+
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
+
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
+
Дырки Ионы Электроны p Е зап n
б)
б )
Δφ к
Рис. 1.1.1. Образование p-n- перехода
Схематически образование p-n-перехода можно представить как соприкосновение двух полупроводников с различным типом электропроводности (рис. 1.1.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1.1.1,а).
При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны проводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда и поэтому обладающий высоким электри+ческим сопротивлением, - так называемый запирающий слой (рис. 1.1.1.б). Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.
Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) на границе полупроводников (рис. 1.1.1.в). Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в обратном направлении. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток Iдр.) происходит снижение контактной разности потенциалов , что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолевать потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов . Появляется диффузионный ток Iдиф., который направлен навстречу дрейфовому току Iдр., т.е. возникает динамическое равновесие, при котором Iдр.= Iдиф .
_
_
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
p
p
n
n
E вн
E вн
Е зап.
I обр.
I пр.
а )
б )
Рис. 1.1.2. Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле:
а – к p-n- переходу приложено обратное напряжение,
б - к p-n- переходу приложено прямое напряжение
Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов (рис. 1.1.2.а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные и отрицательные носители заряда. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал – он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а p-n-переход - закрытым.
При противоположной полярности источника напряжения электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается, возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым, а переход – открытым. Сопротивление открытого p-n-перехода определяется только сопротивлением полупроводника.
0,2 0,4 0,6 U пр , В
U обр , В 600 300
2
1
10
20
30
I обр , мкА
I пр , А
Рис. 1.1.3. Вольтамперная характеристика
p-n- перехода
4
3
1
2
На рис. 1.1.3. показана вольтамперная характеристика открытого и закрытого p-n-перехода. На участке 1 ( Евнешн.< Е зап.) прямой ток мал. На участке 2 (Евн.>Езап.) запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольтамперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к p-n-переходу. И, наконец, на участке 4 происходит пробой p-n-перехода и обратный ток возрастает. Это связано с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители приобретают энергию, до-статочную для ударной ионизации атомов полупро-водника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обрат-ного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках. В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В то же время может возникать электрический пробой p-n-перехода, когда при достижении критической напряженности электрического поля p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон-дырка (эффект Зенера), и существенно возрастает обратный ток перехода. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются при снижении на нем напряжения. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.
Если температура p-n-перехода возрастает в результате его перегрева обратным током, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой пробой называют тепловым пробоем.
1.2. Технология изготовления, конструкция, параметры
полупроводниковых диодов
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.
1
4
3
2
Рис. 1.2.1. Конструкция точечного диода: 1 – выводы, 2 – стеклянный корпус, 3 - кристалл полупро-водника, 4 – гибкий контакт
В качестве материалов для полупроводниковых диодов исполь-зуют германий, кремний, селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др. Легирующими добавками служат элементы ΙΙΙ-V группы таблицы Менделеева.
Все полупроводниковые диоды делят на два класса: точечные и плоскостные. В точечном диоде используется пластинка из германия или кремния с электропроводностью n-типа толщиной 0,1- 0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм2; с пластиной соприкасается заостренная стальная проволочка (рис. 1.2.1) На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток, стальную проволочку вплавляют в полупроводник, образуя область с электропроводностью p-типа. Этот процесс называется формовкой диода.
Вольтамперные характеристики точечного диода аналогичны характеристикам, приведенным на рис. 1.1.3., но из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды используют в основном для выпрямления переменного напряжения.
В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких квадратных сантиметров (силовые диоды) В зависимости от назначения плоскостного диода в нем используются те или иные участки характеристики p-n-перехода.
1.4. Вопросы для подготовки
ОПОРНЫЕ ДИОДЫ
Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух типов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая обусловлена перемещением дырок.
Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких p-n-переходов.
Опорный диод (полупроводниковый стабилитрон) – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока; стабилитроны используются обычно в схемах стабилизации напряжения. Типичная вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 2.1.1.
Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации. Ток, соответствующий напряжению устойчивого пробоя, является минимальным током Imin, максимально допустимый обратный ток – максимальный ток стабилизации Imax.
Следовательно, основными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизации Uст, динамическое сопротивление на участке стабилизации ; минимальный ток стабилизации Iст.min; максимальный ток стабилизации Iст.max; температурный коэффициент на участке стабилизации .
Напряжение стабилизации современных стабилитронов лежит в пределах 1 – 1000 В и зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от Iст.min до Iст.max; 1 ÷ 10 мА, 50 ÷ 2000 мА. Значение минимального тока Iст.min ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение максимального тока Iст.max – допустимой температурой полупроводника.
U
Uст
0
Imin
Imax
Iоб
Рис. 2.1.1. Вольтамперная характеристика опорного диода.
На участке стабилизации , для большинства стабилитронов 0.5 ÷ 200 Ом. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКН, который показывает, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1 ºС. Для большинства стабилитронов ТКН = /-0.05 ÷ +0.2/ %/ ºС. При этом отрицательным ТКН обладают стабилитроны с низким напряжением стабилизации (Uст 6.0 В).
Путем последовательного соединения в процессе изготовления p-n-переходов с различными по знаку ТКН удается получить стабилитроны с очень низким ТКН. Так, у прецизионного стабилитрона КС196В ТКН = ±0.0005 %/ºС в диапазоне температур от –60 до +60ºС.
Такие стабилитроны применяют в стабилизаторах напряжения, предназначенных для измерения постоянных напряжений и токов.
Стабилизацию постоянного напряжения можно также получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами.
В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного.
2.2. Схемы для исследования характеристик стабилитронов
Рис. 2.2.1. Схемы для снятия прямых (а) и обратных (б) вольтамперных
характеристик стабилитронов
мА
V
R
а
_
+
Блок питания
2 В
мА
V
R
б
_
+
Блок питания
12 В
На рис. 2.2.1 показаны схемы для снятия прямых и обратных характеристик стабилитрона. Балластное сопротивление Rб в схеме на рис. 2.2.1,б равно 200 Ом. Эта же схема служит для измерения коэффициента стабилизации.
2.5. Вопросы для подготовки
В квантовой механике известен так называемый туннельный эффект, заключающийся в том. что микрочастица с массой m и кинетической энергией Е может проникнуть за потенциальный барьер высотой U и шириной х - х , хотя высота барьера U > E.
Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожден-ного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовле-ния туннельных диодов используют материал с очень большой концентрацией примесей (1018- 1020 см-3). Следствием большой концентрации примесей в прилегающих к электронно-дырочному переходу областях является, во-первых, малая толщина перехода (около 10 мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.
Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n-области и к валентной зоне в р-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных областях (рис.3.1.1, а). В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю
При обратном подключении внешнего напряжения к туннельному диоду также существуют условия для туннелирования электронов (рис.3.1.1, б). Э Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Таким образом, туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малый обратных напряжениях происходит туннельный пробой.
При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера электронно-дырочного перехода или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями n-области, занятыми электронами. Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в р-область.
При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны c-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис.3.1.2., в).
При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в p–область.
Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и р-областей для свободных электронов n-области не будет свободных энергетических уровней в р-области (рис.3.1.1, г). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей через понизившийся потенциальный барьер электронно-дырочного перехода, т.е. ток, связанный с инжекцией.
С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как в обычных выпрямительных диодах.
Итак, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне напряжений. Это является самым инте-ресным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.
Туннельные диоды характеризуются следующими параметрами
Изменение температуры туннельных диодов вызывает изменение его па-раметров. При повышении температуры уменьшается ширина запрещенной зоны исходных полупроводниковых материалов для туннельных диодов. Это вызывает в свою очередь уменьшение толщины потенциального барьера, сквозь который туннелируют электроны, вследствие чего растет вероятность туннелирования. Туннельная составляющая прямого тока и, в частности, пиковый ток увеличивается.
При увеличении температуры изменяется распределение электронов по энергетическим уровням – количество электронов над уровнем Ферми в зоне проводимости n-области уменьшается, так как часть свободных электронов переходит на более высокие энергетические уровни, а уровень Ферми смещается вниз. Поэтому уменьшается число электронов, которые могут туннелировать из n-области в р-область.
Суммарное влияние этих факторов делает температурные изменения туннельного тока небольшими, а пиковый ток туннельного диода может как возрастать, так и уменьшаться.
mA
Рис.3.2.1 Схема для исследования статических вольтамперных
характеристик туннельных диодов
Блок питания
V
Термостат
Инжекционная составляющая тока туннельного диода растет с повышением температуры как в обычных выпрямительных диодах, что приводит к увеличению тока впадины.
EF
Ec
Ec
Ec
Ec
EV
EV
EV
EV
I
U
а
б
в
г
а
б
в
г
EF
EF
EF
EF
EF
EF
EF
IП
IВ
UП
UВ
UРР
Рис.3.1.1. Энергетические диаграммы и вольтамперная характеристика туннельного диода: а – отсутствие напряжения, б – обратное напряжение, в – напряжение пика, г – напряжение впадины
.3. Вопросы для подготовки
Исследование Фотодиодов
Рис. 4.1.1. Устройство фотодиода
ф
Подложка
–
ф
+
n
p
Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический селективный приёмник оптического излучения, обладающий односторонней фотопроводимостью.
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: 1) без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора); 2) с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).
В первом режиме используется фотогальванический эффект – разновид-ность внутреннего фотоэффекта, связанная образованием разности по-тенциалов (фотоэдс) при освещении неоднородного полупроводника. Фотодиоды состоят из двух примес-ных полупроводников с различными типами электропроводности, на границе между которыми создаётся p-n–переход (рис 4.1.1), фотодиоды изготовляют из германия, кремния, арсенида, галлия, индия, сульфида, кадмия и других полупроводниковых материалов. Световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости p-n – перехода (рис. 4.1.1). в отсутствии освещения и внешнего источника электроэнергии в области p-n–перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда – положительными ионами в n-области и отрицательными ионами в p-области.
При падении светового потока на фотодиод фотоны, проходя толщину полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости. В результате в обеих областях. увеличивается число пар свободных носителей заряда (основных и неосновных), то есть дырок и электронов. Под действием контактной разности потенциалов (потенциального барьера) p-n-перехода неосновные носители заряда n-области – дырки переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области – электроны – в n-область. Это приводит созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фотоэдс. Предельно возможное значение фотоэдс равно контактной разности потенциалов, которая составляет десятые доли вольт. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фотоэдс достигает 0,5–0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия –0,87 В.
I
U
О
б
а
в
–U
Рис. 4.1.2. Вольтамперные характеристики фотодиода
Рис. 4.1.3. Вольтамперные характеристики фотодиода фотогенераторном режиме
Фо
Ф1
Ф2
U
I
и замкнуть зажимы освещённого фотодиода через резистор, то в электрической цепи появляется ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, значение которого зависит от фотоэдс и сопротивления резистора. Максимальный ток при одной и той же освещённости фотодиода будет при сопротивлении резистора, равным нулю, то есть при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора, не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода существенно уменьшается.
Если к неосвещённому фотодиоду подключить источник, значение и полярность напряжение которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 4.1.2). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви практически совпадают при сравнительно набольших напряжениях. Отрезок Об на рис. 4.1.2 соответствует напряжению холостого хода освещённого фотодиода, то есть фотоэдс, а отрезок Оа – току короткого замыкания фотодиода. Участок аб характеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора. Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока построены на рис. 4.1.3.
Режим фотопреобразователя соответствует подаче напряжения на фотодиод в запирающем направлении (участок аб на рис. 4.1.2). Вольтамперные характеристики фотодиода в этом режиме при различных значениях светового потока показаны на рис. 4.1.4.
Ток мало зависит от сопротивления нагрузки и приложенного напряжения. Токовую чувствительность фотодиода, работающего в режиме фотогенератора, измеряют при коротком замыкании по формуле .
В режиме фотопреобразователя ток практически равен току короткого замыкания, поэтому чувствительность фотодиода по току в обоих режимах принято считать одинаковой. Чувствительность фотодиодов (мА/лм): селеновых – 0,30,75, кремниевых – 3, сернисто-серебрянных – 1015, германиевых – до 20.
Ео/RН
U
Ф2
Ф1
Ф0
Рис. 4.1.4. Вольт-амперные характеристики фотодиода в режиме фотопреобразователя
0
100
300
200
400
IФ,мкА
0,25
0,75
0,5
U
Рис. 4.1.5.
Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов, ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока. У германиевых фотодиодов он равен 1030 мкА, у кремниевых - 13 мкА. Энергетические характеристики фототока фотодиода в режиме фотопреобразователя линейны, а в режиме фотогенератора существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. На рис 4.1.5 приведены энергетические характеристики фототока селенового фотодиода в режиме фотогенератора при различных значениях сопротивления нагрузочного резистора.
Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, поэтому их широко применяют в фото- и кинотехнике. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части излучения.
Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры. В частности, темновой ток возрастает почти вдвое при повышении температуры на 10оС, что ограничивает в ряде случаев применение фотодиодов. При этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны.
По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.
В работе исследуются вольтамперные и световые характеристики фотодиода в фотодиодном режиме. Рассчитываются параметры прибора в фотодиодном режиме: интегральная чувствительность, начальное статистическое Ro и динамическое RД сопротивления фотодиода, а также чувствительность по напряжению.
Анализируется зависимость темнового тока от температуры и строится график зависимости Ro от температуры. Изучаются электрические и световые характеристики фотодиода в вентильном режиме. Вычисляются параметры фотодиода в вентильном режиме: интегральная чувствительность, ток короткого замыкания и напряжение холостого хода при отдельном световом потоке Ф.
U
Рис. 4.1.6. Схема для снятия характеристик фотодиода
в фотодиодном режиме
Rн
V
mA
На рис 4.1.6 приведена схема для снятия вольтамперных, световых и температурных характеристик фотодиода в фотодиодном режиме. Способ изменения и контроля светового потока, его спектрального состава, а также модуляции светового потока изложен в методических указаниях.
Схема на рис. 4.1.7 предназначена для снятия вольтамперных и световых характеристик фотодиода в вентильном режиме (RH – магазин сопротивлений, используемый в качестве нагрузки). Ток в режиме короткого замыкания и напряжения в режиме холостого хода могут быть измерены с помощью компенсационных схем на рис. 4.1.8 и 4.1.9, в которых используется микроамперметр с малым внутренним сопротивлением (А1).
mV
A1
U
Рис. 4.1.9. Схема для измерения напряже-ния в режиме холостого хода
4.6 .Вопросы для подготовки
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия, характеристиками и параметрами нелинейных полупроводниковых сопротивлений (симметричных варисторов), изучить зависимость их работы от температуры. Снять ВАХ варистора. Определить температурный коэффициент сопротивления варистора.
5.1. Краткая теория
20 40 80 U. B
8
4
0
-4
-8
-80 -40
I, mA
Рис. 5.1.1. ВАХ варистора
Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Варисторы изготовляют методом керамической технологии, т. е. путем высокотемпературного обжига заготовок из порошкообразного карбида кремния со связкой, в качестве которой обычно используют глину. Чаще всего варисторы имеют форму стержней или дисков с электродами, на противоположных концах или поверхностях к которым припаяны выводы для присоединения к схеме.
Нелинейность ВАХ варисторов (рис. 5.1.1) обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов сквозь тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности кристаллов карбида кремния.
При больших напряжениях на варисторе и соответственно при больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и нелинейности ВАХ.
Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов – разогрев и охлаждение этих областей. Теоретические расчеты показывают, что тепловая постоянная времени активных областей может составлять 10-6 _ 10-8 с.
Считая разогрев активных областей под точечными контактами одним из основных процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, можно получить ряд важнейших зависимостей и характеристик варисторов.
Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников γ соответствует уравнение
. (5.1.1)
Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов
, (5.1.2)
где d – диаметр точечного контакта, В – коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов карбида кремния.
Тогда статическое сопротивление варистора, состоящего из а параллельно включенных цепочек, имеющих b последовательно включенных контактирующих кристаллов,
. (5.1.3)
Уравнение теплового баланса для активных областей варистора имеет вид
U2/R = I2R = H(T – T0). (5.1.4)
где H – коэффициент рассеяния активных областей, Т – температура активных областей, Т0 – температура среды, окружающей активные области.
Из (5.1.3) и (5.1.4) можно получить уравнения ВАХ варисторов в параметрической форме:
, (5.1.5)
. (5.1.6)
Используя уравнения (5.1.5) и (5.1.6), можно выяснить некоторые требования, предъявляемые к исходному материалу для изготовления варисторов с заданными свойствами, и установить связь между различными параметрами варисторов.
5.2. Характеристики варисторов
Коэффициент нелинейности варистора - это отношение статического RС и дифференциального RД сопротивлений при заданном постоянном напряжении на варисторе.
β=. (5.2.1.)
Из (5.1.5) и (5.1.6) дифференциальное сопротивление варистора:
RД = (5.2.2)
Коэффициент нелинейности варистора:
= (5.2.3.)
На рис. 5.2.1 показаны расчетные зависимости коэффициента нелинейности от напряжения и температуры активных областей варисторов из материалов с различными коэффициентами температурной чувствительности В поверхностных слоев кристаллов.
(5.2.4)
откуда следует, что при β ‹ 4B имеет место нелинейная ВАХ с положительным коэффициентом нелинейности, а при β › 4B у варистора наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление и отрицательный коэффициент нелинейности.
600
1000
1500
1500
1000
600
1 20 40 60
ß
10
5
3
2
1
ß
10
5
3
2
1
300 500 1000 2000 Т, К
U, отн.ед.
а
б
Рис.5.2.1. Расчетные зависимости коэффициента нелинейности β:
а - от напряжени, б – от температуры активной области
Температура активных областей варистора может превышать температуру окружающей среды на несколько сотен градусов. Коэффициент нелинейности варисторов не превышает 6, что ограничивает возможные применения варисторов.
Увеличение температуры окружающей среды должно привести к уменьшению коэффициента нелинейности (2) и незначительному сдвигу максимума кривой β = f(U) по напряжению (рис.5.2.2).
10 20 30 40 U.отн. ед.
β
5
4
3
2
1
Рис. 5.2.2. Расчетная зависимость коэффициента температурной нелинейности варистора от напряжения при различных температурах (В =600 К)
Вольтамперная характеристика варистора. Если варистор работает в узком диапазоне изменений напряжений и токов, то коэффициент нелинейности в этом диапазоне можно считать постоянным:
β =
Тогда ; lnI = βlnU + lnB, и ВАХ варистора будет соответствовать уравнению: I = BUβ, где В – коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры.
Частотные свойства варисторов могут определяться либо инерционностью процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, либо собственной емкостью варистора. Инерционность разогрева и охлаждения активных областей под точечными контактами мала. Поэтому частотные свойства варисторов определяются временем перезаряда их собственной емкости.
5.3. Схемы для исследования варисторов
Термостат
mA
V
RH
U
Рис. 5.2.1. Схема для снятия характеристик варисторов
Блок питания
Схема на рис. 5.3.1 позволяет снять вольтамперные I = f(U) и ампер-температурные характеристики варисторов I = f(θ). Величина напряжения источника питания Е и сопротивление нагрузки RH выбираются в зависимости от типа исследуемого варистора.
При исследовании температурных зависимостей варистор помещается в термостат.
5.7. Вопросы для подготовки
Термистор (терморезистор) – это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.
В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием тепла, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения теплового облучения термистора (например, при изменении температуры окружающей среды). Наиболее широко применяются термисторы, основной особенностью которых является значительное уменьшение сопротивление с увеличением температуры, то есть термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено разными причинами – увеличением концентрации носителей заряда, увеличением их подвижности или фазовыми превращениями полупроводникового материала.
I. Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа АIIIBV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, когда концентрация носителей из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменение концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.
В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению
, (6.1.1)
где В – коэффициент температурной чувствительности; R – постоянная, зависящая от материала и размеров термистора.
При неполной ионизации и отсутствии компенсации ,
где Eп – энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).
Для скомпенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей
.
При собственной электропроводности
,
где E – ширина запрещённой зоны полупроводника.
II. Основная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготовлена из поликристаллических окисных полупроводников – из оксидов так называемых металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, то есть путём обжига заготовок при высокой температуре.
Электропроводность окисных полупроводников с преобладающей ионной связью между атомами отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании окисла в определённых условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких металлов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, мала. Поэтому все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного иона к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию – постоянной в рабочем диапазоне температур термистора.
Из-за сильного воздействия носителей заряда с ионами подвижность носителей заряда в окисном полупроводнике оказывается малой и экспериментально возрастающей с ростом температуры. В результате температурная зависимость сопротивления термистора из окисного полупроводника оказывается такой же, как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 6.1.1), но коэффициент температурной чувствительности характеризует в этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.
III. В окислах ванадия V2O2 и V2 O3 при температуре фазовых превращений (68 оС и –110 оС) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.
6.2 .Характеристики и параметры термисторов прямого подогрева
Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов приведён на рис. 6.2.1 .
Номинальное сопротивление термистора – это его сопротивление при определённой температуре (обычно 20 оС). Термисторы изготовляют с допустимым отклонением от номинального сопротивления 20, 10 и 5 %. Номинальные сопротивления различных типов термисторов имеют значения от нескольких Ом до нескольких сотен килоОм.
R, Ом
104
103
102
101
100
270
370
470
Т, К
Рис. 6.2.1. Типичная зависимость сопротивления R (а) и электропро-водности σ (б) терморезистора от его температуры
, К-1
1,5
2,5
3
а
б
ln σ
Коэффициент температурной чувствительности В – это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики термистора (1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств материала термистора, практически постоянно для данного термистора в рабочем диапазоне температур и для различных типов термисторов находится в пределах от 700 до 15 00 К. Коэффициент температурной чувствительности может быть найден экспериментально путём измерения сопротивления термистора при двух температурах То и Т по формуле
. (6.2.1)
Температурный коэффициент сопротивления термистора показывает относительное изменение сопротивление термистора при изменении температуры на один градус:
ТК .(6.2.2)
Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать индексом, указывающем температуру, при которой имеет место данное значение. Зависимость температурного коэффициента от температуры можно получить из уравнений (6.2.1) и (6.2.2):
ТК R = – B/T 2 (6.2.3)
Значение температурного коэффициента сопротивления при комнатной температуре различных термисторов находятся в пределах (0,86,0)10-2 К-1.
Коэффициент рассеяния термистора Н численно равен мощности, рассеиваемой термистором при разности температур термистора и окружающей среды в один градус, или, другими словами, численно равен мощности, которую надо выделить в термисторе от проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между термистором и окружающей средой
Рис. 6.2.2 Вольтамперные харак-теристики термистора
О
I
U
1
2
3
На рис.6.2.2. показаны статические вольтамперные характеристики термисторов. Линейность характеристик при малых токах и напряжения объясняется тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении тока, проходящего через термистор, выделяемая в нём мощность повышает его температуру. Сопротивление термистора определяется, таким образом, суммарной температурой окружающей среды и температурой подогревателя термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и темпе-ратуры в соответствии с (6.2.2), линейность статической вольтамперной характеристики нарушается. При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувст-вительности термистора может наблюдаться падающий участок статической вольт-амперной характеристики, то есть умень-шение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока.
Максимально допустимая температура термистора – это температура, при которой ещё не происходит необратимых изменений параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая температура определяется не только свойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.
Максимально допустимая мощность рассеяния термистора – это мощность, при которой термистор, находящийся в спокойном воздухе при температуре 20 оС, разогревается при прохождении тока до максимально допустимой температуры. При уменьшении температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора в среда, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.
Коэффициент энергетической чувствительности термистора G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %. Коэффициент энергетической чувствительности связан с коэффициентом рассеяния и температурным коэффициентом сопротивления соотношением G=H/ TK R.
Величина коэффициента энергетической чувствительности зависит от режима работы термистора, то есть будет различна в каждой точке статической вольтамперной характеристики.
Постоянная времени термистора – это время, в течение которого температура термистора уменьшиться на 63% (в е раз) по отношению к разности температур термистора и окружающей среды (например, при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120оС в воздушную среду с температурой 20оС). Тепловая инерционность термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависит от теплопроводности среды, к которой находится термистор. Для разных типов термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с.
6.3. Термисторы косвенного подогрева
Термистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник тепла – подогреватель.
0,001
0,01
1,0
0,1
I,мА
0,01
1
0,1
U, В
10
Рис. 6.3.1. Статические вольтамперные характеристики термистора с косвенным подогревом
R, Ом
104
103
102
101
100
0
20
40
60
80
Рпод, Вт
Конструктивное исполнение термисторов косвенного подогрева может быть различным. Часто подогреватель делают в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других случаях термистор сделан в виде трубки, внутри которой проходит нить подогрев. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них электрически изолированных друг от друга цепей – управляющей и управляемой.
Кроме таких параметров, как номинальное сопротивление и коэффициент температурной чувствительности, термисторы косвенного подогрева имеют свои специфические характеристики и параметры.
Статические вольтамперные характеристики термистора косвенного подогрева снимают при различных токах через подогреватель. (рис 6.3.1.).
Подогревная характеристика – это зависимость сопротивления термистора косвенного подогрева от мощности, выделяемой в спирали подогревной обмотки (рис. 6.3.2.).
Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, то есть наибольшего изменения сопротивления, его следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящим через него током, можно было пренебречь.
Коэффициент тепловой связи – это отношение мощности РТ, необходимой для разогрева термочувствительного элемента до некоторой температуры при прямом нагреве, к мощности Рпод, необходимой для разогрева до той же самой температуры при косвенном подогреве, то есть путём пропускания тока через подогреватель:
К= РТ/ Рпод.
Рис. 6.3.3.Схема для исследования ВАХ термисторов
прямого подогрева
Термостат
R
U
+
V
mA
to
Блок питания
Обычно для определения коэффициента тепловой связи термистор косвенного подогрева разогревают до так называемого горячего сопротивления термистора при максимальной мощности, выделяемой в подогревателе. Коэффициент тепловой связи обычно находиться в пределах от 0,5 до 0,97, то есть меньше единицы, так как часть тепла, выделяемая подогревателем, неизбежно теряется. Термисторы косвенного подогрева в настоящее время практически не используются из-за их больших размеров, необходимости использования дополнительного источника питания для подогрева термистора, большой потребляемой мощности.
Схема для исследования термисторов прямого подогрева, приведенная на рис. 6.3.3, даёт возможность снять вольтамперные характеристики термисторов при разной температуре окружающей среды.
Напряжение на термистор подается от источника постоянного напряжения U блока питания. Напряжение плавно регулируется потенциометром R в блоке питания.
6.8. Вопросы для подготовки
Фоторезисторы
Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием светового потока. Основной частью фоторезистора является полупроводниковый элемент, снабженный выводами и расположенный так, что на него может падать свет.
Принцип действия фоторезистора основан на образовании допол-нительного количества подвижных носителей заряда в результате поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность, называемая фотопроводимостью полупроводника. Если освещать поверхность полупроводника непрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до наступления динамического равновесия, когда число вновь появившихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют друг с другом и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для не облучаемого элемента.
Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением
nф = b1 ,……….……………….7.1.1
где Ф - интенсивность облучения; b1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты падающего света и скорости рекомбинации носителей заряда.
Если концентрация носителей, возбужденных светом, меньше темновой концентрации, то
nф = b2Ф. …………………………7.1.2
Выражение для фотопроводимости имеет вид:
ф = еnф. ……………………..…7.1.3
С энергетической точки зрения увеличение проводимости полупроводников объясняется переходом электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости и другими переходами (рис 7.1.1). При этом энергия фотонов h должна быть больше энергии запрещенной зоны ΔЕ . Валентные электроны, переходя в свободную зону, оставляют на своем месте дырку. Эти дополнительные носители заряда определенное время находятся в свободном состоянии, а затем рекомбинируют, т.е. переходят либо в валентную
V-зона
Eа
Eд
Eс
Ev
1
2
3
3
3
4
С-зона
2
зону, либо на примесные уровни. Однако часть фотонов, поглощенных поверхностью полупроводника, рассеивается в кристаллической решетке, повышая интенсивность теплового движения. Для получения фототока необходимо в цепи последовательно с фоторезистором включить посторонний источник Э.Д.С. Выражение для фототока можно записать в виде
Iф = фES,…………………………7.1.4
где ф –фотопроводимость, E- напряженность электрического поля, S - площадь сечения полупроводника. Разность Iф между световым током Iсв и темновым IТ:
IФ = Iст - Iт ………………………..7.1.5
Темновой ток является одним из параметров фоторезистора. Иногда более удобно пользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора. Для большинства фоторезисторов указывается нижний предел темнового сопротивления. Обычно величина темнового сопротивления находится в пределах от десятков килоом до нескольких мегаом.
Для переноса электрона из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить ему определенную энергию. В связи с тем, что различные материалы имеют различную ширину запрещенной зоны, для фоторезистора существует пороговая длина волны, различная для различных материалов. Например, ширина запрещенной зоны германия 0.72 эВ, а кремния 1.12 эВ. И, соответственно, пороговая длина волны для германия 1.8 мкм, а для кремния 1.2 мкм. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется значительно меньшая энергия (менее 0.1 эВ) и соответственно воздействие светом значительно большей длины волны (инфракрасная область). Поэтому обычно наблюдаются несколько максимумов: основной коротковолновый и более слабые длинноволновые, обусловленные возбуждением электронов примесных центров, межпримесными переходами, поглощением свободными носителями, экситонным поглощением и т.д.
IСВ
Ф
IСВ(Ф) при U=const
Вольтамперные характеристики фоторезистора линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них. При большом напряжении на фоторезистор вследствие чрезмерного нагрева его происходит разрушение светочувствительного слоя.
Вольтамперные характеристики в общем случае могут быть записаны в виде
Iсв=АоE U,……………………………7.1.6
где - коэффициент нелинейности световой характеристики, - коэффициент нелинейности вольтамперной характеристики, Ао - постоянная, определяющаяся параметрами полупроводника, U - приложенное напряжение, Е - освещенность.
Световые (энергетические) характеристики фоторезистора (рис.7.1.2) обычно нелинейны. Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока, т.е. тока, протекающего через фоторезистор при отсутствии освещенности (в темноте). В определенном интервале освещенности световая характеристика может быть аппроксимирована выражением
Iсв=Aо U Ф ……………………………7.1.7
Основными характеристиками фоторезистора является интегральная и спектральная чувствительность. Интегральная чувствительность фоторезистора определяется как отношение разности токов при освещении Iсв и темнового Iт к световому потоку, падающему на резистор при номинальном значении Uном напряжения:
Кф, мА/лм = Iф/Ф = (Iсв-Iт)/Ф, ………………7.1.8
где Ф - световой поток, определяемый из выражения
Ф, лм =SE; …………………….…..7.1.9
S - рабочая площадь фоторезистора в м2; Е – освещенность в лк.
Интегральная чувствительность фоторезистора сильно зависит от температуры. При увеличении температуры интегральная чувствительность резко снижается, т.к. увеличивается равновесная концентрация носителей заряда и вероятность рекомбинации избыточных носителей, возникающих при освещении, что приводит к уменьшению фототока.
Увеличение концентрации носителей с ростом температуры приводит к возрастанию темнового тока. В связи с этим в ряде случаев, где требуется высокая чувствительность, применяется охлаждение фоторезистора. Интегральная чувствительность фоторезистора достигает величины 4 А/лм.
Ввиду того, что зависимость между током и напряжением линейна, вводят параметр удельной чувствительности фоторезистора. Удельная чувствительность равна отношению фототока к величине светового потока при условии, что приложенное к фоторезистору напряжение равно 1 В:
К0=Кф/U=Iф/ФU……..…………………7.1.10
Таким образом, удельная чувствительность падает с увеличением светового потока. Иногда для характеристики чувствительности фоторезистора удобно пользоваться относительным изменением сопротивлений
R/Rт=(Rт-Rсв)/Rт ………………………7.1.11
или параметром кратности изменения сопротивления, представляющим собой отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности Rт/Rсв, где Rт - темновое сопротивление; Rсв - сопротивление при освещенности Е.
Очевидно, что кратность изменения сопротивления с увеличением освещенности возрастает, т.к. сопротивление Rсв уменьшается, а Rт остается без изменений. Поэтому значение кратности указывается при определенной освещенности. Например, при освещенности в 200 лк кратность изменения сопротивления для сернисто-свинцовых фоторезисторов составляет единицы, а для сернисто-кадмиевых достигает 105.Спектральная чувствительность фоторезистора определяется величиной фототока или фотопроводимости при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. На рис.7.1.3 приведены спектральные характеристики сернисто-кадмиевых фоторезисторов. Максимум приходится на длину волны соответствующую энергии, необходимой для перевода электронов в зону проводимости. Если проводник легирован примесями, то каждой примеси на графике будет соответствовать свой максимум.
Поэтому, например, сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в красной и ближней инфракрасной области спектра, сернисто-свинцовые – в инфракрасной. Поскольку для многих полупроводников ширина максимума значительна, то чувствительность большинства фоторезисторов достаточно высока в широком диапазоне длин волн (практически от инфракрасной области спектра до рентгеновских лучей.)
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 λ,мкм
0,8
0,6
0,4
0,2
0
IСВ/IСВ.МАКС.
Рис.7.1.3. Спектральные характеристики сернисто-кадмиевых
фоторезисторов:1 – СФ2-12, СФ2-16; 2 - СФ2-2; 3 - СФ2-1
1 2 3
При увеличении температуры вид спектральной характеристики меняется. Она может смещаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область спектра. Это объясняется тем, что ширина запрещенной зоны может увеличиваться, а может уменьшаться с изменением температуры.
Пороговая чувствительность характеризует минимальный световой поток, создающий в цепи фоторезистора электрический сигнал, обычно 2-3 раза превышающий напряжение шума фоторезистора.
С понижением температуры пороговая чувствительность возрастает. Поэтому для достижения высокого порога чувствительности применяют глубокое охлаждение фоторезистора. Охлаждение осуществляется криогенными жидкостями или охлаждающими устройствами. Однако следует учитывать, что при охлаждении уменьшается ширина запрещенной зоны и происходит сдвиг максимума спектральной чувствительности в длинноволновую область спектра.
Как было уже отмечено, фототок достигает своего максимального значения лишь через некоторое время после начала облучения. Точно так же после прекращения освещенности фототок прекратится лишь через некоторое время. Таким образом, фототок не успевает следовать за изменением освещенности. Это объясняется конечным временем нарастания и спада концентрации избыточных носителей, которое определяется временем жизни неосновных носителей в данном полупроводниковом материале. В свою очередь время жизни неосновных носителей связано с наличием большого количества ловушек в поликристаллическом полупроводнике. Ловушки захватывают носители тока при включении света и освобождают их после выключения.
Инерционность фоторезистора характеризует постоянная времени τ, за которую фототок уменьшится в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления. Инерционность фоторезистора сказывается, когда на него падает модулированный световой поток. При этом с увеличением частоты модуляции сила фототока будет снижаться. Постоянная времени фоторезистора достигает величины 10-7 с (для сернисто-свинцовых фоторезисторов). Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые фоторезисторы. С увеличением освещенности и температуры постоянная времени уменьшается. Для фоторезисторов характерно, что фронт и спад фототока могут существенно отличаться.
Тепловые свойства фоторезистора определяет температурный коэффициент фототока (ТКФ), выраженным в % / оС. Величина ТКФ определяется из температурной зависимости фототока при определенном напряжении и освещенности.
К максимально допустимым режимам фоторезистора относится: Uмах - максимальное рабочее напряжение, при котором не происходит необратимых изменений в структуре фоторезистора; Pмах - максимальная мощность рассеяния, при которой фоторезистор остается работоспособным в течение гарантированного срока службы. Превышение мощности рассеяния приводит к превышению допустимой температуры и необратимым изменениям свойств фоторезисторов. С увеличением температуры окружающей среды максимально допустимая мощность снижается по линейному закону.
Фоторезисторам свойственен процесс старения. Он заключается в постепенном уменьшении омического сопротивления, изменении фототока и росте чувствительности. Процесс этот продолжается в течение нескольких сотен часов, после чего его параметры стабилизируются.
Рассмотрим устройство фоторезистора (рис.7.1.4). На диэлектрическую подложку из стекла, слюды, керамики 1 наносится слой металла - золота, серебра или платины. В металлическом слое прорезают щель для разделения на два электрически изолированных электрода 2. Затем на поверхность металла наносится слой полупроводника 3. Для защиты от внешних воздействий фотоэлемент покрывают слоем лака или эпоксидной смолы 4, пропускающим свет лишь нужной области спектра, и монтируют в металлический или пластмассовый корпус, который оборудован штырьками или гибкими выводами для включения в схему. Для проникновения света корпус имеет окошечко, расположенное над полупроводниковым слоем. Для использования в микросхемах, а также для случаев, когда предъявляются особые требования к габаритам аппаратуры, фоторезисторы выпускают в бескорпусном исполнении. Конструкции фоторезистора обеспечивают включение в цепь с помощью прижимных контактов (ФС-К0), посредством включения в обычную панель (ФС-К1), посредством пайки (ФС-К7), например, для включения в мостовую схему. Фоторезисторы, предназначенные для применения в условиях повышенной влажности, имеют герметичный корпус.
4
3
2
1
Ф
Рис.7.1.4. Схематическое изображение устройства фоторезистора: 1 – подложка,
2 - слой фотополупроводника, 3 – электроды, 4 – защитный слой
Материалом для фоторезисторов служат сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмута и т.п., обладающие свойствами полупроводников. Слой полупроводника должен быть тонким, чтобы относительное изменение проводимости было как можно большим. Это объясняется тем, что увеличение проводимости происходит лишь в приповерхностных слоях, где происходит поглощение света, и на расстоянии не более диффузионной длины носителей, куда диффундируют освободившиеся носители заряда. Полупроводниковый слой фоторезистора получается методом испарения в вакууме, прессования и спекания из полупроводникового порошка тонких пластинок, химическим охлаждением, изготовлением пластин из монокристалла. После осаждения полупроводниковая пластинка обжигается в воздухе или какой-либо другой атмосфере, содержащей кислород. Эта обработка оказывает большое влияние на характеристики фотоэлемента. От природы и характера термообработки зависит спектральная чувствительность фотоэлемента. Для работы в инфракрасной области спектра предназначены фоторезисторы типа ФСА и ФСД, а для работы в области видимого света ФСК. Если фоторезисторы необходимо устанавливать вблизи источника света, тогда используются фоторезисторы, на полупроводниковый слой которых падает лишь отраженный свет. Обозначение фоторезисторов состоит из букв ФС и СФ (фотосопротивление), за которыми следует буква или цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (А - PbS, K - CdS, Г - герметизированная конструкция).
Благодаря простоте и надежности, высокой чувствительности и малым размерам фоторезисторы находят широкое и разнообразное применение в самых различных областях техники. Они могут использоваться в качестве фотоэлектрических преобразователей, измерительных устройств, фотоэлектрических реле и регуляторов. Некоторые фоторезисторы (ФК-К0, ФС-К1, ФС-К6) обладают большой допустимой мощностью рассеяния (порядка 10 - 30 Вт) и имеют высокое рабочее напряжение (свыше 100 Вольт). Широкое применение нашли фоторезисторы в измерительных фотоэлектрических устройствах, предназначенных для измерения интенсивности и спектрального состава излучений, для измерения различных оптических характеристик (коэффициентов отражения, преломления, оптической плотности), для измерения деформаций, автоматического взвешивания в поточной линии и др.
V
mA
V
Rн
Рис. 7.2.1. Схема для снятия характеристик фоторезисторов
К
Можно отметить еще одну область применения фоторезисторов –фотоэлектрические преобразователи в телевизионных передающих трубках, фотоэлектролюминисцентные усилители оптических изображений, фотокомпенсационные узлы усилителей и стабилизаторов постоянного тока и др.
К числу преимуществ фоторезисторов можно отнести высокую интегральную чувствительность, превышающую чувствительность некоторых вакуумных фотоэлементов в 105 раз, значительная мощность рассеяния, благодаря чему можно управлять электрической цепью мощностью в несколько ватт, малые размеры и вес, большой срок службы, высокую стабильность свойств, простоту технологии их изготовления.
Недостатками фоторезисторов являются инерционность, температурная зависимость, ограничивающая эксплуатацию фоторезисторов в широких интервалах температур, нелинейная зависимость фототока от интенсивности облучения, значительный разброс параметров у фоторезисторов одного и того же типа.
7.5 Вопросы для самоконтроля
Цель работы: Ознакомиться с физическими принципами действия, технологией изготовления, конструкцией и применением магниторезисторов, исследовать их основные характеристики и параметры
8.1. Физические основы работы магниторезисторов
Магниторезисторы (МР) – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (металла) при воздействии на него магнитного поля. МР используются в качестве магнитных датчиков электрического напряжения и тока, скорости и направления вращения, в устройствах считывания информации в ЭВМ, в вентильных электродвигателях, измерителях магнитного поля и т.д. МР обеспечивают практически идеальную механическую, электрическую, тепловую и т.п. развязку измерительных и управляющих цепей от объектов контроля. Они обладают быстродействием, чувствительностью, надежностью, малыми габаритами и энергопотреблением. В настоящее время известны монолитные и пленочные магниторезисторы.
- Ux
+
Ех
Е
Е0
I
φ
φ
B
L0
0
Рис. 8.1.1. Эффект Холла
Рис. 8.1.2. Изменение характера движения
носителей тока в магнитном поле
Принцип действия монолитных МР основан на так называемом магниторезистивном эффекте. Как известно, в пластинке полупроводника, по которой протекает ток, в магнитном поле возникает ЭДС Холла (рис. 8.1.1)
Ех= K I B /b,
где I – ток, протекающий вдоль пластинки, B – индукция магнитного поля, b-ширина пластины в направлении, перпендикулярном току, К=1/ne – коэффициент Холла, e и n соответственно – элементарный заряд носителей тока и их концентрация.
При установлении динамического равновесия между силой Лоренца и силой холловского электрического поля носители заряда, имеющие одинаковую скорость v будут двигаться по прямолинейным траекториям в направлении внешнего электрического тока , при этом вектор суммарного электрического поля направлен к вектору тока через полупроводник под некоторым углом φ. Угол Холла определяется формулой: tg φ = ЕХ / Е = u B, где u-подвижность носителей заряда. При небольших магнитных полях и, следовательно, малых углах Холла φ ≈ u B.
При установлении динамического равновесия возникшая холловская напряженность электрического поля компенсирует действие силы Лоренца, и, следовательно, не происходит искривления траектории носителей заряда, имеющих одинаковую скорость v. Казалось бы, в таком случае сопротивление полупроводника не должно изменяться под действием магнитного поля.
В действительности носители в полупроводнике подчиняются определенному распределению скоростей. Поэтому носители со скоростью, превышающей среднюю скорость, и носители, имеющие скорость, меньшую по сравнению со средней, смещаются к разным точкам на боковой грани пластины полупроводника, поскольку на них действует различная по величине сила Лоренца. Таким образом, удельное сопротивление полупроводника в магнитном поле изменяется из-за искривления траектории носителей заряда, движущихся со скоростью, отличной от средней скорости.
Наибольший магниторезистивный эффект можно получить в полупроводнике такой формы и конструкции, при которой возникновение холловской напряженности электрического поля затруднено или вообще невозможно. Эти условия теоретически могут быть реализованы в пластинке полупроводника с бесконечно большими размерами в направлении, перпендикулярном напряженности внешнего электрического поля. В таком полупроводнике не происходит накопления носителей заряда на боковых гранях, не образуется ЭДС Холла, а траектория заряда отклоняется от направления внешнего электрического поля в направлении силы Лоренца (рис. 8.1.2). Вектор плотности тока совпадает по направлению со скоростью носителей заряда и поэтому оказывается сдвинутым относительно вектора напряженности внешнего электрического поля на угол Холла φ. Отклонение траектории носителей заряда в неограниченном полупроводнике равносильно уменьшению длины свободного пробега носителей заряда в направлении электрического поля на ,
здесь L0 – длина свободного пробега носителей заряда при отсутствии магнитного поля, L΄- проекция пройденного носителем заряда пути между двумя последовательными столкновениями при наличии магнитного поля, на направление внешнего электрического поля. При малых углах Холла cos φ можно разложить в ряд
cos φ = 1- φ 2/2!+…,
тогда ΔL ≈ L0 – L0 + L0 φ 2/2, и, следовательно, ΔL ≈ L0 φ 2/2.
Так как за время свободного пробега носитель заряда проходит в магнитном поле меньший путь вдоль электрического поля , то это эквивалентно уменьшению дрейфовой скорости и подвижности и, следовательно, удельной проводимости полупроводника., Относительное изменение удельного сопротивления при этом (ρ – ρ0)/ρ0 = ΔL/L0 = u2 B2/2.
Для ограниченного по своим размерам кристалла полупроводника справедливо соотношение Δρ/ρ0 =С u2 B2, где С – коэффициент, зависящий от формы пластинки полупроводника.
В последнее время получили распространение пленочные МР, магниточувствительным элементом которых служит ферромагнитная пленка (сплав никеля с кобальтом или никеля и железа). В основе работы пленочных МР лежит анизотропный магниторезистивный эффект, заключающийся в том, что внешнее магнитное поле изменяет в ферромагнитном материале вероятность рассеяния электронов в различных направлениях, что, в свою очередь, приводит к изменению электрического сопротивления.
8.2. Технология приготовления и конструкция магниторезисторов
Основными полупроводниковыми материалами для монолитных МР служат кристаллы антимонида индия InSb и арсенида индия InAs , эвтектического сплава InSb-NiSb, обладающих большой подвижностью носителей заряда.
Для увеличения магниторезистивного эффекта выбирают такую конструкцию МР, чтобы уменьшит величину холловской ЭДС напряженности электрического поля. Наилучшей формой МР является диск Корбино. Один электрод в таком МР находится в центре диска, второй расположен по периметру диска. При отсутствии магнитного поля ток течет в радиальном направлении; под действием магнитного поля носители отклоняются перпендикулярно радиусу, но поскольку в такой конструкции нет граней, на которых могли бы накапливаться заряды, ЭДС Холла в таком МР не возникает.
Другой конструкцией МР является пластинка полупроводника, ширина которой много меньше ее длины. Существенным недостатком такой конструкции является ее малое сопротивление, для увеличения которого применяют последовательное соединение нескольких пластин или нанесение металлических полос уменьшающих ЭДС Холла на боковых гранях кристалла полупроводника. Магниточувствительный элемент толщиной ≈10 мкм вытравливается из заготовки толщиной 500-600 мкм и приклеивается к подложке из слюды, пермендюра или пермаллоя.
1 2 3 4
Рис. 8.2.1. Конструкция пленочного магниторезистора: 1 - подложка, 2- магниторезис-тивная пленка, 3 – контактная площадка, 4 – проволочный вывод
Ферромагнитные подложки служат концентратором магнитного поля.
Конструкция пленочного МР показана на рис. 8.2.1. Пленка в форме «меандр» толщиной 60 – 100 мкм и шириной дорожки до 100 мкм приклеивают к проводящей подложке. Гибкие проволочные выводы припаяны к контактным площадкам элемента. Весь пакет покрыт защитным слоем лака; максимальная толщина МР с учетом пайки и защитного слоя не превышает 0,8 мм.
8.3. Основные параметры и характеристики магниторезисторов
Основными параметрами магниторезисторов являются следующие:
R0 – начальное сопротивление МР при нормальной температуре (0±20°С) в отсутствии магнитного поля
RBо – сопротивление МР при воздействии магнитного поля и нормальной температуре окружающей среды
RB/R0 –магниторезистивное отношение,
γ – относительная магниточувствительность, определяемая как относительное изменение сопротивления МР, вызванное магнитным полем определенной индукции, и выражаемая в процентах
γ = (RB – R0/R0)∙100 %,
Pmax - максимальная электрическая мощность, рассеиваемая МР, при которой отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе,
RB/R0
10,0
7,5
5,0
2,5
-1,0 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1,0 B, Тл
Рис. 8.3.1. Зависимость магниторезистивного отношения от индукции магнитного поля
RB/R0
8
6
4
2
0 30 60 90 120 150 180 φ˚
f0 - предельная частота синусоидального модулированного магнитного потока, при которой магнитная чувствительность МР падает до значения 0,707 от чувствительности не модулированного потока.
К настоящему времени отечественной промышленностью выпущены монолитные магниторезисторы марок MR-1, MR-2, MR-3 СМ1-1,СМ3-1,СМ-32, СМ4-1 - с начальным сопротивлением от 22 до 220 Ом и пленочные МР двух типов с начальным сопротивлением от 1200 до 3500 Ом. Максимальная допустимая мощность рассеивания этих приборов составляет от 5 до 15 мВт.
Ток I, мА
1 2 3 4
30
20
10
0
0 1 2 3 4 Напряжение U. В
Рис. 8.3.3. Вольтамперная характеристика магниторезистора СМ 4: 1 – В = 0, 2 – В = 0,2 Тл, 3 – В= 0,3 Тл, 4 – В = 0,5 Тл
Сопротивление МР зависит как от значения магнитной индукции воздейст-вующего поля (рис. 8.3.1), так и от угла φ между вектором ин-дукции и плоскостью элемента (рис. 8.3.2). Вольтамперные характеристики МР нелинейны (рис. 8.3.3).
Монолитные датчики имеют отри-цательный темпера-турный коэффициент сопротивления (ТКС); у пленочных он положителен. Значение ТКС составляет от 0,3 до 2 %/град.
МР могут работать на постоянном и модулированном магнитном поле. Однако следует иметь в виду, что на частоте более 10 кГц возникает фазовый сдвиг между магнитным полем и выходным сигналом датчика. Кроме того, на высоких частотах происходит резкое увеличение проводимости магниторезистора.
8.5. Вопросы для самоконтроля
Вопрос по данной теме выбрать самостоятельно