Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Ульяновский государственный педагогический университет
имени И.Н. Ульянова»

 

Кафедра физики и технических дисциплин

 

 

Работа допущена к защите

Зав. кафедрой физики

 и технических дисциплин

 

__________ В.В. Шишкарев

^{(подпись)}

«___»___________ 20__ г.

 

 

Выпускная квалификационная работа

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЭЛЕКТИВНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

 

 

 

Автор работы      Карандасов Кирилл Валерьевич ____________________

                                                                                               ^{(подпись)}

Шифр работы      ФМ-14-13                    

Факультет физико-математического и технологического образования

Направление подготовки 44.03.05. Педагогическое образование (с двумя

                                                         профилями подготовки)

Профиль Физика. Математика.

Научный руководитель -  к.п.н., доцент Арискин В.Г.______________                                                                                                                 ^{(подпись)}

 

Ульяновск 2019

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Современное состояние разработки проблемы передачи изображения фотоэлектрическими устройствами. 8

1.1. Исторический обзор развития оптоэлектроники. 8

1.2. Нормальная и аномальная фотопроводимости. 10

Глава 2. Основы теории p-n перехода и феноменологической теории фотопроводимости p-n перехода  12

2.1. Физические процессы в p-n  переходе. 12

2.2. Феноменологическая теория фотопроводимости p-n перехода. 15

2.3. Основные положения теории примесной фотопроводимости p-n перехода. 18

2.4. Фотоэлектрические свойства p-n перехода при низких температурах. 23

Глава 3. Основные характеристики элементов фото-электрических    преобразователей и перспективы их применения в фотоэнергетике и криоэлектронике. 26

3.1. Основные характеристики элементов фотоэлектрических преобразователей. 26

3.2. Современные проблемы преобразования солнечной энергии в электрическую.. 34

3.3. Перспективы создания криоэлектронных приборов и интегральных устройств. 36

Глава 4. Экспериментальные исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения. Оценка влияния специального спектра примесей на свойства фотопроводимости фотодиодов. 38

4.1. Количественная проверка основного уравнения фотодиода. 40

4.2. Получение световых характеристик фотодиодов. 47

4.3. Исследование ВАХ при разных освещенностях. 57

4.4. Метод спектрального определения глубоких уровней в фоточувствительных полупроводниках  60

4.5. Исследование интегральной и спектральной чувствительности. 62

4.6. Температурные характеристики фототока и фото–э.д.с. 66

4.7. Исследование к.п.д. фотодиодов. 69

4.8. Частотные характеристики и определение постоянной времени. 70

4.9. Расчет предельных параметров полупроводниковых устройств. 73

Глава 5. Типология элективных курсов и их роль в организации профильного и предпрофильного обучения. 78

Заключение. 101

Список использованных источников. 105

Приложение А.. 112

 

Введение

 

В настоящее время дальнейшее развитие в области информационных и коммуникационных технологий, а также в атомной, ракетной и авиационно – космической областях, как и во всех областях науки и техники, во многом определяется прогрессом развития в области высоких технологий, в частности, в области опто-, нано- и микроэлектроники. Особого внимания заслуживает оптоэлектроника, как одно из наиболее перспективных функциональных направлений микроэлектроники, в рамках которого решаются вопросы разработки и исследования фотоэлектрических преобразователей изображения.

Интенсивное развитие оптоэлектроники связано с повышением степени чистоты полупроводниковых материалов, усовершенствованием полупроводниковых технологий. Применение полупроводников в приборах и устройствах оптоэлектроники в подавляющем большинстве случаев основано на легировании определенных областей полупроводниковых материалов специальными примесями. Поэтому одной из основных задач является определение параметров локальных уровней, и прежде всего – определение ширины локального уровня в энергетическом смысле.

Несмотря на важность этой задачи, её решением занимались только в некоторых частных случаях. Мало разработаны были вопросы, касающиеся методики определения глубины залегания примесных уровней в полупроводниковых материалах. Поэтому в данной работе была использована  специальная методика по определению спектра примесей и глубины залегания примесных уровней в полупроводниках [45, С.29].

Существует также проблема оценки предельных возможностей фотоэлектрических устройств, так как при миниатюризации весовых и габаритных характеристик приборов приходится сталкиваться с ограничениями, связанными с квантовыми эффектами.

ХХ век стал веком развития квантовой физики [39, С.75]. Особенно важны два открытия, изменившие современное общество. Первое – открытие транзистора в 1948 г. Дж. Бардиным (Нобелевская премия 1956 года). Второй этапный момент – открытие принципа лазера – мазера.  Нобелевскую премию в 1964 году за это получили Н.Басов, А.Прохоров и Ч.Таунс. Последующее открытие гетероструктур Ж.И.Алферовым (Нобелевская премия в 2000году) дало толчок для развития современных информационных систем [67, 87].

В терминологии электроники ХХI века уже стали привычными термины: квантовые компьютеры и квантовые вычисления, одноэлектронная электроника, молекулярная, наноэлектроника, нано–  и пикотехнологии      [44 -51]. На ОАО «НИИМЭ и Микрон» проводятся работы в области физики полупроводниковых гетероструктур. По существу подготовлена научная база для создания элементов и приборов наноэлектроники [22, 48].

Возрастающая сложность задач, возникающих в различных областях современной науки и техники, требует поиска новых физических идей, способных привести к развитию более эффективных способов преобразования оптических сигналов в электрические без загрязнения окружающей среды. Повышенный интерес к фотоэлектрическому методу преобразования энергии обусловлен реальной возможностью создания стабильных в эксплуатации, дешевых и высокоэффективных солнечных элементов [70, 80].

Внимание исследователей многих стран уже давно привлечено к изучению фотоэлектрических явлений в полупроводниковых устройствах [14, 35]. Тем не менее, глубокое понимание проблем полупроводниковой фотоэлектроники требует более широкого освещения вопросов, касающихся роли спектра специальных примесей в полупроводниках, ответственных за фотопроводимость в широком интервале температур, включая криогенные.  Результаты исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения, с одной стороны, служат для определения их эксплуатационных возможностей и исходным материалом при расчете схем, а с другой стороны, позволяют косвенным образом судить об особенностях приборов, технологии их изготовления. Вышеизложенное определяет актуальность данного исследования.

Цель работы состоит в изучении наиболее важных свойств фотоэлектрических преобразователей изображения, проведении сравнительных характеристик фотоэлектрических свойств p-n переходов для выявления роли специальных примесей, ответственных за фотопроводимость в широком интервале температур, включая криогенные, определении предельных параметров полупроводниковых фотопреобразователей, разработке методики определения глубины залегания спектра специальных примесей в полупроводниках, оценке эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую при использовании матриц солнечных элементов в элективном курсе физики.

В качестве объекта исследования выступают элементы фотоэлектрических преобразователей: p–n переходы, фотодиоды, солнечные элементы батарей.

Предмет   исследования – свойства:  фотопреобразователей ФД–2,       ФД–256, ФД–320, КТ–355А, МП–16А, датчика Холла ДХК–0.5А – применяемые в школьном курсе физики

Задачи:

   1. Проанализировать состояние разработки данной проблемы по имеющимся публикациям.

   2.   Изучить теорию фотоэлектрических свойств p-n переходов.

 3. Экспериментально исследовать фотоэлектрические свойства p-n  переходов с различными примесями, провести их сравнительную характеристику.

4. Разработать методику определения ширины локального уровня в фотопреобразователях, созданных на основе p-n перехода, ориентированную на внедрение в практику обучения физики в старших классах.

 5. Провести расчет предельных параметров полупроводниковых устройств, определить интервалы рабочих температур.

 6. Разработка элективного курса физики на тему «Исследование фотоэлектрических преобразователей изображения»

Методы исследования:

- анализ научной литературы по исследуемой проблеме;

     - физический эксперимент;

- моделирование методики определения глубины залегания примесей и

расчета предельных параметров устройств;

- численные методы обработки результатов экспериментов;

- компьютерная обработка результатов.

Квалификационная работа состоит из введения, пяти глав, приложения, заключения и списка литературы.

Во введении отражена актуальность исследования полупроводниковых фотопреобразователей в связи со стремительным научно–техническим прогрессом в области электроники.

В первой главе дана краткая историческая справка явлению фотопроводимости, оптоэлектроники, показано современное состояние проблемы фотопроводимости полупроводниковых устройств в научной литературе и практике.

Во второй главе раскрываются основы теории p-n перехода и феноменологической теории фотопроводимости p-n перехода, особое внимание уделяется теории примесной фотопроводимости p-n перехода и фотоэлектрическим свойствам  p-n перехода при низких температурах.

В третьей главе  рассматриваются основные характеристики фотоэлектрических преобразователей изображения, особое внимание уделяется перспективам создания приборов микроэлектроники и криоэлектроники, современным проблемам полупроводниковой фотоэнергетики.

В четвертой главе проведено экспериментальное  исследование фотопреобразователей ФД–256, ФД–320, ФД–2, КТ–355А и МП–16А, осуществлена проверка основного уравнения фотодиода, получены световые характеристики и ВАХ, проведен расчет глубины залегания примесей, исследованы интегральная и спектральная чувствительности, температурные и частотные характеристики, определена постоянная времени. Особое внимание уделено оценке влияния специального спектра примесей на свойства фотопроводимости и расчету предельных параметров фотопреобразователей, применяемых в элективном курсе физики

В пятой главе  Приведена концепция элективного курса, а также приведен элективный курс физики в школьной программе 11 класса.

В Приложение Представлены технологические карты уроков.

     В заключении раскрыта значимость проведенных исследований фотопреобразователей (в том числе и в практике школьного эксперимента) для более глубокого понимания сути физических явлений и технологии получения полупроводниковых приборов. Показано, что примеси играют решающую роль для оптических, электрических и других свойств полупроводниковых устройств.

 

 

 

 

Глава 1. Современное состояние разработки проблемы передачи изображения фотоэлектрическими устройствами

 

1.1. Исторический обзор развития оптоэлектроники

 

Оптические методы передачи информации существовали с незапамятных времен. Первобытный человек использовал для этих целей ночью зажженные факелы, а днем – сигнальные дымы. Такие способы были хорошо известны в Древнем Китае, у ассирийцев, в Египте начиная с первых цивилизаций.

Оптика является одной из древнейших наук. В освоении оптического излучения можно выделить два исторических этапа. Первый связан в основном с изучением наблюдаемого непосредственно глазом видимого света и соответствует развитию классической оптики (Декарт, Ньютон, Томас Юнг, Гюйгенс, Френель, Максвелл). Второй этап развития оптики тесно связан с революционными открытиями в физике в начале ХХ века. В 1905 году А.Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света. А 1954 год стал годом рождения квантовой электроники как самостоятельной науки (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Таунс создали лазер на пучке молекул аммиака). В 1960 году был создан рубиновый лазер, а в 1961 году – гелий–неоновый лазер. Это дало толчок развитию новой области науки – голографии [55, С.11].

Параллельно с развитием квантовой электроники быстрыми темпами развивалась физика полупроводников и полупроводниковая электроника. Успехи в этих областях привели к созданию эффективных полупроводниковых фотоприёмников и генераторов света. Отметим главные вехи в развитии данной отрасли. В 1873 году В.Смит [14, С.19] обнаружил в слоях селена фотопроводимость – изменение сопротивления под действием освещения, открыв тем самым внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект был открыт в 1888 году А.Г. Столетовым. В 1923 году О.В.Лосев наблюдал свечение кристаллов карбида кремния под действием электрического тока и дал правильное объяснение этому явлению, которое легло в основу действия современных электролюминесцентных источников света. В 1962 году в Физико–техническом институте имени А.Ф.Иоффе в Ленинграде было обнаружено эффективное рекомбинационное излучение и наблюдалось вынужденной излучение в кристаллах арсенида галлия.        Ж.И. Алферовым с сотрудниками успешно проводились работы по получению гетеропереходов. В 1968–1970г.г. ими были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, в том числе работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. За эти работы Ж.И.Алферову в 2000г. была присуждена Нобелевская премия. Применение квантово–размерных слоев и сверхрешеток [2,81] позволило создать полупроводниковые лазеры с характеристиками, близкими к теоретическому пределу. Важным моментом в развитии оптической электроники явилось получение оптических волокон с низкими потерями (<1дБ/км), что обеспечило возможность их применения в качестве эффективных оптических волноводов. В настоящее время информация может передаваться через волоконно–оптические линии связи. Интенсивно ведутся работы по созданию устройств оптической памяти, разработке оптических вычислительных машин, работающих на новых принципах [55, С.12].

Увеличение количества и ассортимента выпуска элементов оптоэлектроники происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост около 20%.  Наибольшее распространение получили лазерные звукопроигрыватели с компакт–дисками [78]. Оптоэлектроника, микросистемная техника и микробиология в совокупности составляют микротехнику, сверхминиатюрные приборы и устройства которой начиная со второй половины 50-х годов ХХ века доминируют в обеспечении научно – технического прогресса при создании наукоёмкой конкурентоспособной продукции гражданского и специального назначений нового поколения.

В России с 1996 года в «Перечне критических технологий Федерального уровня» официально используется термин «микросистемная техника», в Японии – MICROMACHINES, в европейских странах – microsystem technology. Достоинства критической технологии заключаются в том, что в рамках основных показателей микромашины превосходят традиционные аналоги по стоимости, надежности, массогабаритным показателям и энергопотреблению [33, 41].

 В настоящее время увеличилось число исследований и разработок в области микросистемной техники с её возможным развитием на наноуровне. Многие специалисты считают, что наноэлектроника станет лидером          ХХI века. По мнению большинства исследователей [44, 48] оптическая электроника будет также в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Об этом свидетельствует как резкий рост числа публикаций, так и проведение регулярных международных конференций.

1.2. Нормальная и аномальная фотопроводимости

 

Прошло уже почти полтора столетия с тех пор, как Уиллафби Смит в 1873 году натолкнулся на явление фотопроводимости, обнаружив, что селен на свету имеет иное сопротивление, нежели в темноте. И только через столетие стали появляться первые публикации по фотопроводимости после открытия Смита [14,С.19].

Открытый в 1879 году эффект Холла был использован для доказательства электронной природы фотопроводимости. В 1916 году Пфунд сообщил об открытии фотопроводимости в закиси меди. В 20-х годах Гудден и Поль добавили к списку уже известных фоточувствительных веществ сернистый цинк, алмаз и щелочногаллоидные соединения, но больших успехов в повышении их чувствительности достичь не удалось [14,С.22].

В отечественной и зарубежной литературе имеется несколько фундаментальных изданий, посвященных явлению фотопроводимости         [6,14,62]. Термин «фотопроводимость» употребляют часто как синоним «внутреннего фотоэффекта», когда рассматривается лишь увеличение числа свободных носителей заряда в облученном материале. По этой причине фотопроводимость представляет собой один из аспектов явления переноса заряда в полупроводниках [6,С.9]. Избыточная (неравновесная) проводимость, равная разности проводимостей полупроводника при освещении и в отсутствие освещения, представляет собой фотопроводимость [86,С.293].

Различают линейную фотопроводимость (фотоотклик меняется, как первая степень интенсивности света), квадратичную (фотоотклик меняется, как корень квадратный из интенсивности света), сверхлинейную (при которой фотоотклик растет быстрее, чем интенсивность света) и фотопроводимость, при которой фотоотклик слабо меняется с интенсивностью света. У всех рассмотренных случаев общее то, что фотоотклик является функцией интенсивности света. Все различные виды фотопроводимости, при которой фотоотклик является функцией интенсивности света, объединены под единым термином «нормальная фотопроводимость» [34,С.22].

Под аномальной фотопроводимостью (АФ) подразумевается фотопроводимость, величина которой зависит не от интенсивности света, а от спектрального состава излучения. Такая фотопроводимость представляет не фотометрическое, а спектральное явление. Полупроводнику с аномальной фотопроводимостью присуще ещё одно свойство. Возбужденная светом проводимость сохраняется в образце неизмеримо большее время и после прекращения освещения («спектральная память») [34,C.23]. Пленки аморфного селена, активированные ртутью, длительное время являлись единственными АФ–проводниками и потому на таких пленках АФ исследована наиболее полно и подробно.

В дальнейшем речь будет идти только о нормальной фотопроводимости кремниевых и германиевых образцов, которые исследуются в данной работе.

Глава 2. Основы теории p-n перехода и феноменологической теории фотопроводимости p-n перехода

2.1. Физические процессы в p-n  переходе

 

Для создания эффективных фотоприемников наряду с фотопроводимостью в однородных полупроводниках широко используются фотоэлектрические явления в полупроводниковых структурах, содержащих электронно–дырочные переходы. Среди фоточувствительных структур, работающих на таких эффектах, наиболее распространены полупроводниковые фотодиоды. Различные аспекты теории p-n перехода развиты в многочисленных работах [37-69]. Наиболее тщательно особенности p – n перехода исследованы рядом авторов [72-77].

Электронно–дырочный переход (p-n переход) – слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n–область) и дырочной (p–область) проводимостью. Различают гетеропереход, в котором p–область и n-область  принадлежат различным полупроводникам, и гомопереход, созданный на основе одного и того же полупроводника [78,С.640].

Работа выхода для электронов в n–германии меньше, чем в p–германии, поэтому с момента создания контакта возникает поток электронов слева направо и в n–германии создается слой положительного объемного заряда, а в p–германии – отрицательного (рис. 2.1,б). Переход электронов будет продолжаться до тех пор, пока создаваемая таким образом разность потенциалов (рис. 2.1,г) не скомпенсирует разность работ выхода и уровни Ферми p– и n–областей не сравняются (рис.2.1,д). При этом заряды отрицательного и положительного слоя  будут одинаковы, но толщина их может быть разной. Здесь возможны и дырочный и электронный токи, причем в равновесии потоки должны быть одинаковы. При равенстве уравнений химического потенциала оба эти условия одновременно удовлетворяются. Каждый электрон из p–области может перейти в                  n–область (есть контактное поле). Чтобы перейти из n–  в  p–область, электрон должен преодолеть потенциальный барьер. Аналогично для дырок [73, С.71].

 

 

                                                                               ρ

                                                                              

  W1                       W2                                                                                                    E

					-  - -  - -  - -  -

 

 

      °    °    °                     

+ + + +

                           °  °   °  °  °  °

                                                                                                             

                                                                                                     x                                       x

 

 

a)                                                         б)                                                    в)

         - V                                                          а                                           а

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

                                                                                                                                                                                                                              

                                                                                        

                                                                                                              

 

                                     х

г)                                                                                                                 д)

 

Рис. 2.1. Контакт дырочный полупроводник – электронный полупроводник:

а – до установления равновесия; б – распределение зарядов; в – поле;

г – ход потенциала; д – зонная диаграмма [73, С.71]

 

Рассмотрим выпрямление на p-n переходе (рис. 2.2). Представим, что в полупроводнике создается избыточная концентрация носителей тока ∆n0. Тогда они будут диффундировать вглубь, из-за рекомбинации их концентрация будет спадать:        

                                                            ,                            (2.1)

где L– диффузионная длина, т. е. расстояние, на котором неравновесная концентрация уменьшается  в e раз:

                                              ,                                                   (2.2)

 где D– коэффициент диффузии, τ – время жизни носителей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Выпрямление на p – n переходе (73, С73)

 

Для упрощения предположим, что диффузионные длины для дырок и электронов значительно больше толщины запорного слоя. Тогда можно упростить схему зонной структуры p-n перехода, как на рис. 2.2, а (сжать всю область объемного заряда). Представим, что к p-n переходу приложено напряжение  в пропускном направлении, падение напряжения на нем    (рис.2.2,б). Как видно из рис. 2.2 (б, в)  число электронов   в зоне проводимости p–области останется прежним, число же электронов   в n– области увеличится, так как уменьшится барьер:

                                 .                                  (2.3)

Вследствие этого электронное равновесие на границе нарушается. Избыточная концентрация электронов в  p–области убывает:

                              (2.4)

что позволяет вычиcлить диффузионный электронный ток:

                                                                                                           

                                           (2.5)

который и будет полным электронным током в p–области вблизи p-n перехода. Аналогичным образом дырочный ток в n–области:

                                                                             (2.6)

Таким образом, полный ток через p-n переход равен:

                                                          (2.7)

Рассмотрим теперь, что происходит, если к p-n переходу приложено напряжение  в запорном направлении (рис.2.2,г, д). Концентрация электронов  вдали от p-n перехода неизменна, концентрация же электронов  в n–области экспоненциально уменьшается. Электроны будут вытягиваться из p–  в   n–область, диффузионный ток

                                                         (2.8)

будет течь в обратном направлении [86, С.230].

Таким образом, изучение физических процессов в p-n переходе позволяет глубже понять принципы работы фотодиодов, солнечных батарей и многих других фотоприемников.

2.2. Феноменологическая теория фотопроводимости p-n перехода

 

При изучении фотопроводимости можно построить феноменоло-гическую картину явления в целом, что позволяет  сделать ряд качественных выводов, часть из которых можно проверить простыми расчетами.

Феноменологический метод рассмотрения фотопроводимости был основан и развит Роузом [62]. При таком подходе стараются объяснить как простые, так и сложные эффекты, используя понятия о центрах прилипания и рекомбинации. И.Аут дает другое определение: «описание явлений фотопроводимости, при котором подвижность, время жизни и другие величины рассматриваются как эмпирически определяемые параметры, часто называют феноменологическим» [6, С.14].

Прежде всего, изложим смысл критерия, позволяющего разграничивать центры прилипания и рекомбинации. Центры, захватывающие носители, можно разделить на две группы: 1) центры прилипания (захваченный носитель имеет большую вероятность перейти снова в свободное состояние в результате теплового возбуждения),  2) центры рекомбинации (захваченный носитель имеет большую вероятность рекомбинировать с носителем противоположного знака). Является ли центр центром прилипания или рекомбинации зависит от  соотношения вероятностей теплового возбуждения захваченного носителя и вероятности его рекомбинации с носителем противоположного знака до того, как он будет освобожден в результате теплового возбуждения, то есть не от природы самих центров [14,С.70].

Положение демаркационного уровня, разделяющего уровни прилипания и рекомбинации, удобно определить следующим образом: когда электрон (дырка) находится на демаркационном уровне, вероятность рекомбинации со свободной дыркой (электроном) равна вероятности теплового возбуждения в зону проводимости (в валентную зону). На рис. 2.3 схематически показана связь между демаркационным уровнем и уровнем Ферми в полупроводнике, в котором концентрация термически возбужденных свободных носителей больше, чем оптически возбужденных носителей. Все уровни делятся на 4 группы: I – уровни прилипания для электронов,  II – уровни рекомбинации со свободными дырками,  Ш – уровни рекомбинации (совпадают с демаркационным уровнем для дырок), IV – уровни прилипания для дырок [14,С.93].

                 I                                               Уровень Ферми

                          

                 II

                                                   

            III                                                           Демаркационный

                IV                                               уровень

    

 

Рис.2.3. Уровень Ферми и демаркационный уровень в полупроводнике [14,С.93]

 

Количественное соотношение между демаркационными уровнями и квазиуровнями Ферми имеет вид:

                                           (2.9)

                                           (2.10)

 где  – сечение захвата электрона центром, на котором находится дырка; – сечение захвата свободной дырки центром, который занят электроном;  – концентрация центров рекомбинации для дырок; – концентрация центров рекомбинации для электронов. Центрам различных типов, характеризующихся определенными значениями  и , соответствуют разные демаркационные уровни. Положения уровней для дырок зависят от концентрации свободных электронов [36, 79].

Одним из важнейших параметров для понимания явления фотопроводимости является время жизни. Если свет создает ƒ     электронно–дырочных пар в секунду в единице объема фотопроводника, то                     

                                           ,                                                     (2.11)

                                                                                                (2.12)

где – время жизни свободного электрона, – время жизни свободной

 

дырки,  а    и  – избыточные  концентрации  электронов  и  дырок.

 

Возникает фотопроводимость:

 

                                   (2.13)

Из этого соотношения видно, почему время жизни является важнейшим параметром в теории фотопроводимости. Р.Бьюб [14,С.83] выделяет ряд смысловых значений этого термина: 1) время жизни свободного носителя (который вносит вклад в проводимость),  2) время жизни возбужденного носителя (между актами возбуждения и рекомбинации),  3) время жизни пары электрон – дырка,  4) время жизни неосновных носителей (когда они свободны),  5) время жизни основных носителей (электронов в веществе с проводимостью n–типа),  6) объемное время жизни , 7) поверхностное время жизни .

Время жизни  является одним из важнейших критериев качества полупроводникового материала и степени его пригодности для изготовления полупроводниковых фотопреобразователей, оно меняется в широких пределах от кристалла к кристаллу, зависит от температуры и химических примесей. Различные примеси в разной степени влияют на время жизни носителей. Это исследуется экспериментально в данной работе.

2.3. Основные положения теории примесной фотопроводимости p-n перехода

 

 

Увеличение удельной проводимости полупроводника, которое связано с генерацией свободных носителей с примесных уровней, называется примесной фотопроводимостью. Это явление лежит в основе действия большинства полупроводниковых фотоприемников на p-n переходах (4,14).

Влияние глубоких примесей на процессы в p-n переходах наиболее полно отражено в модели Саха – Нойса – Шокли, которая стала основой при анализе генерационно–рекомбинационных эффектов [12, 28]. В этой модели предполагается существование одного энергетического уровня равномерно распределенных генерационно–рекомбинационных центров. Положение этого уровня  близко к положению уровня Ферми. В p–области центры в основном пусты, поскольку уровень Ферми для дырок расположен глубже уровня . Вследствие этого центры готовы захватить инжектируемые электроны и затем переправить их в валентную зону, способствуя процессу рекомбинации. Аналогично в n–области перехода центры облегчают рекомбинацию инжектируемых дырок с электронами [21,86]. В области объемного заряда перехода при приложении обратного смещения центры генерируют дырки и электроны, которые разделяются электрическим полем. При приложении к p-n переходу прямого смещения концентрации носителей в области объемного заряда велики и существенными становятся процессы рекомбинации [13,83]. Поскольку полный ток является суммой  рекомбинационной и диффузионной компонент тока, то он изменяется примерно экспоненциально при прямом смещении. В итоге Сах и другие пришли к выводу, что рекомбинационные центры располагаются в пределах нескольких kТ вблизи центра запрещенной зоны (47,С.204).

Рассматривая рис. 2.4, можно сделать ряд выводов о влиянии таких дефектов, как дефекты упаковки, на генерационно–рекомбинационные процессы в активных элементах. При обратном смещении  дефект упаковки дает рекомбинационный контраст: ток, наведенный электронным лучом, уменьшается, когда луч достигает дефекта упаковки. На это указывает наличие темной передней и светлой задней областей контраста при сканировании. При   изменение контраста со светлого на темный указывает на локальный генерационный эффект. Рекомбинационно– генерационный эффект имеет место в круговой области вблизи дефекта.

                  

 

                 Рис.2.4. Изображения дефекта упаковки (60, С.281)

 

 

                                                                                                                                                                           

                                                       

                                           

                                                           

                  Рис. 2.5. Изображения диода [60, С.277]

 

Хорошо видно, что при увеличении обратного смещения вокруг дефекта возникают кольцевые области контраста, которые, вероятно, связаны с наличием сильных электрических полей при больших обратных смещениях. Изображения на рис.2.4  были получены с помощью электронного микроскопа  [60, С.281].

На рис.2.5 приведены изображения типичного p-n–диода с глубиной залегания перехода 4 мкм и площадью 0,01см² при разных напряжениях обратного смещения (от 0 до 20В). При нулевом смещении имеющиеся в области p-n перехода дефекты упаковки действуют как рекомбинационные центры. С увеличением обратного смещения большая часть дефектов «теряет» свою электрическую активность и лишь некоторые из них остаются видны при всех использованных смещениях (60,С.277).

Пусть в образце имеются как донорные, так и акцепторные примеси. Тогда концентрация носителей заряда определяется отношением этих примесей (степенью компенсации) (17,24). В зависимости от соотношения концентраций доноров и акцепторов и энергетического положения их уровней от краев зон, а также от энергетического расстояния между донорными и акцепторными уровнями определяется преобладание электронов или дырок и положение уровня Ферми (7-10). Энергия электронов, находящихся в зоне проводимости, отсчитывается вверх от дна зоны проводимости, принятой за нуль (0), а энергия дырок, находящихся в валентной зоне, - вниз от дна зоны проводимости (43,С.36). Рассмотрим частные случаи.

а) Если концентрация доноров  больше концентрации акцепторов  и энергетическое расстояние между донорными и акцепторными уровнями достаточно велико по сравнению с kТ, то все акцепторные уровни будут заполнены электронами, перешедшими с доноров, а число свободных электронов в зоне проводимости (из условия электронейтральности) будет     (– число свободных мест на донорных уровнях). Уровень Ферми                                               

                                                              (2.14)

При Т = 0К  , то есть уровень Ферми совпадает с донорным уровнем. При повышении температуры уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости, если . Наличие компенсирующей примеси приводит к более быстрому изменению положения уровня Ферми [30,36].

б) Если концентрация акцепторов Na больше концентрации доноров

, то аналогично получим, что уровень Ферми

                                                  (2.15)

При Т=0К , то есть уровень Ферми в примесном полупроводнике с преобладанием акцепторов совпадает с акцепторным уровнем.

В области высоких температур, когда донорные или акцепторные атомы полностью ионизированы, концентрация свободных носителей заряда определяется числом нескомпенсированных донорных атомов, когда  , или акцепторных атомов, когда  

 в) Если концентрация доноров и акцепторов одинакова, то все акцепторные уровни будут заполнены электронами с доноров (43,С.45).

Рассмотренные основные положения теории примесной фотопроводимости p – n перехода открывают широкие возможности для понимания физических явлений в полупроводниковых фотопреобразователях: фотодиодах, фототранзисторах, фоторезисторах.

 

2.4. Фотоэлектрические свойства p-n перехода при низких температурах

 

Применение p-n перехода для охлажденных приборов возможно лишь в том случае, если сам p-n переход и зависимость емкости от напряжения V сохраняются при низких температурах, а остальные параметры p-n  перехода не ухудшаются. Под областью  низких температур подразумевается область криогенных температур, при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенные жидкости. Можно условно выделить четыре температурные зоны: азотную (80К), неоновую (27К), водородную (20К) и гелиевую (4,2К). Температуры ниже точки кипения жидкого гелия выделяются в отдельную область «сверхнизких» температур [3,С.12].

Внесение в решетку кристалла определенных примесей приводит к тому, что энергетические уровни этих атомов попадают в запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости [25]. Если при данной температуре энергия ионизации примеси >5-10kТ, то примеси являются деионизованными, образуя «глубокие» уровни. Если же <kТ, то примеси ионизованы и  образуют «мелкие» уровни. Энергия теплового возбуждения, необходимая для перевода частиц в соответствующую зону с примесных уровней, мала, поэтому в примесном материале электропроводность существует при более низких температурах, чем в собственном полупроводнике. Так как при низких температурах kТ<<, то можно получить следующее выражение для зависимости уровня Ферми от температуры: 

                                                             (2.16)

где  – эффективная масса электрона. Отсюда видно, что при охлаждении до Т=0К уровень Ферми в материале n–типа проходит посредине между донорным уровнем  и дном зоны проводимости, то есть .

 

                                                                 ℓn n

                                                     

    1,1                                                    

    1,0                                                     

    0,9  -                                                 

    0,8  -                    

                                

         0           100            200           Т,К                                                     

                                              а)                                                                  б)

                         

                                 Рис. 2.6 Температурные зависимости:

а) уровня Ферми (------ для некомпенсированных полупроводников,

                    – ∙ – для частично компенсированных донорами);

               б) концентрации носителей от температуры  [3, С.34]

 

Из анализа температурной зависимости  следует, что уровень Ферми при повышении T от 0К до 40К возрастает, а затем уменьшается (рис. 2.6,а).

В частично компенсированных полупроводниках при Т→0 уровень Ферми стремится к уровню энергии основной примеси, в полностью скомпенсированных полупроводниках уровень Ферми ведет себя  так же, как в собственных полупроводниках [3,С.34].

Для концентраций электронов (при) и дырок (при ) в случае низких температур:

                                                                         (2.17)

                                                                         (2.18)

где,  – эффективная плотность состояний соответственно в зоне проводимости и в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводнике, содержащем акцепторную и донорную примеси, показатель степени  в два раза больше, чем в полупроводнике, содержащем примесь только одного вида, то есть в этом случае энергия ионизации донорной или акцепторной примеси в два раза больше, чем у чистого донорного или акцепторного полупроводника [43,С.44].

Характерная зависимость  от изображена на рис. 2.6,б. Собственная проводимость будет наблюдаться лишь при нагревании выше  Значения  и  могут быть определены по наклону прямых зависимости  от . При этом ширина запрещенной зоны  увеличивается с понижением , так как уменьшается амплитуда тепловых колебаний атомов решетки и изменяются межатомные расстояния [3,5].

Подвижность  носителей заряда в области низких температур, обусловленная рассеянием на ионизированных примесях, пропорциональна   , на тепловых колебаниях решетки ~ .  В общем случае

                                                           (2.19)

где   и  - коэффициенты пропорциональности [43,С.50].

Если на охлажденный кристалл подействовать светом, то в полупроводнике возникает избыточная, по сравнению с равновесной, концентрация носителей ( ). В этом случае проводимость образца возрастает  на:

                      (2.20)

где – темновая проводимость, – фотопроводимость [3,С.37].

Изучение теории фотопроводимости p-n перехода при низких температурах позволяет понять принцип работы фотоприемников в широком интервале температур, включая криогенные, а также роль примесей в фотопроводимости полупроводников.

Глава 3. Основные характеристики элементов фото-электрических    преобразователей и перспективы их применения в фотоэнергетике и криоэлектронике

3.1. Основные характеристики элементов фотоэлектрических преобразователей

 

При освещении p-n перехода, например со стороны n–области (рис.3.1,а) светом, вблизи границы p-n перехода  образуются пары электрон–дырка. Дырки, подошедшие к p-n переходу, подхватываются контактным полем и выбрасываются в p–область, а электроны остаются в n–области. При этом возникает равновесная разность потенциалов (напряжение холостого хода или фото-э.д.с.), зависящая от интенсивности света.

 

 

Рис.3.1. Схемы возникновения фото - э.д.с. при освещении p–n перехода:

а–при перпендикулярном направлении световых лучей к плоскости p–n перехода б – «вентильный» режим; в – «фотодиодный» режим»; г – энергетическая схема, поясняющая работу фотоэлемента при освещении  (режим             холостого хода); д – энергетическая схема фотодиодного режима [43].

           С возрастанием интенсивности фото-э.д.с. увеличивается, но она не может стать больше контактной разности потенциалов . Если освещенный p-n переход включить в замкнутую цепь, то по ней потечет ток от p– к   n–области [11,15]. 

Различают два режима работы: «фотодиодный» и «вентильный» [57]. В первом случае (рис.3.1,в) на диод подается обратное напряжение и ток через структуру является функцией интенсивности света. Во втором случае (рис.3.1,б) p-n переход сам используется в качестве источника э.д.с. или тока.

Рассмотрим основные характеристики фотопреобразователей.

Основное уравнение фотоэлемента связывает величину фото-э.д.с. с . Определим, следуя Рывкину, величину фото–э.д.с. при освещении p-n  перехода [63,С.412]. Допустим, что  p-n переход тонкий, в пределах которого рекомбинацией можно пренебречь, плоский и задача одномерная. При этом для простоты будем исходить из «диодной» теории p-n перехода. При освещении, например, электронной области через p-n  переход потечет ток. Для равновесного состояния p-n  перехода в темноте можно записать следующее соотношение:

                            .                                        (3.1)

При освещении p-n перехода (рис.3.1,г) потенциальный барьер уменьшается, а вследствие этого возрастает поток основных носителей. В стационарном состоянии потоки зарядов через p-n переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга и общий ток равен нулю

                              ,                       (3.2)

где   – токи равновесных носителей заряда при освещении p-n перехода,  – фототок.

Поскольку приращение избыточных неосновных носителей, вызванное освещением, учтено током  , то токи равновесных неосновных носителей при освещении остаются равными своим значениям в темноте:

                                                                              (3.3)

                                                                           (3.4)

Токи основных носителей в результате снижения потенциального барьера при освещении на величину увеличиваются и равны

                                               (3.5)

                                                 (3.6)

Подставив значение токов неосновных и основных носителей в уравнение (3.2), получим величину фото–э.д.с.

                                        .                                     (3.7)

Соотношение (3.7) называется основным уравнением фотоэлемента. Для реальных фотоэлементов экспериментальным данным лучше соответствует формула                                                                

                                                                                  (3.8)

где –коэффициент, зависящий от толщины p-n перехода, численное значение которого может быть от 1 до 4.

Если фотоэлемент замкнут на сопротивление нагрузки   ,   то

                                     .                                (3.9)

Ток нагрузки  равен разности фототока и тока утечки  через запирающий слой  p-n  перехода

                                             ,                                     

                                                                                (3.10)

Величина фототока пропорциональна величине потока , падающего на поверхность фотоэлемента,

                                                                                 (3.11)

где  – спектральная чувствительность. Получим, что

                                                                  (3.12)

Формула (3.12) справедлива до тех пор, пока    [43,С.167]. При больших интенсивностях света концентрация неосновных носителей приближается к концентрации основных и фото–э.д.с. практически перестает расти с ростом светового потока, а максимальное значение фото–э.д.с. равно величине контактной разности потенциалов. Таким образом, величина фототока пропорциональна падающему световому потоку, а фото–э.д.с. пропорциональна логарифму  светового потока, что позволяет использовать фотоэлементы в ряде фотометрических приборов.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость тока от напряжения. Если к p-n переходу приложено напряжение в запирающем направлении (рис. 3.1,в,д), то резко возрастает потенциальный барьер для основных носителей, и ток через переход будет определяться потоками неосновных носителей. Так как на эти потоки не влияет величина приложенного  напряжения      (потенциальный  барьер       для     неосновных

                                  .               0

                                                                 

                                                                  

                                                          

                                                          

                                                                                    

                                                                                                      

                    

                Рис. 3.2. Вольт-амперные характеристики фотодиода

 

носителей отсутствует), ток также не зависит от него, то есть носит характер  «тока насыщения». В темноте возникает темновой ток , на свету ток возрастает на величину . При больших отрицательных значениях  ток

                                                                                              (3.13)

При малых напряжениях      получим, что

                                                                      (3.14)

где     – внутреннее сопротивление p-n перехода.

Таким образом, в отсутствие освещения  ток линейно растет, пока напряжение  не станет порядка , а затем стремится к насыщению [63,С.421]. При освещении световой поток  выполняет роль эмиттера, инжектирующего заряды в полупроводник. При разных световых потоках получим семейство кривых (рис 3.2),  похожее на семейство коллекторных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. При отсутствии освещения почти все напряжение батареи   падает на переходе. С увеличением светового потока от 0 до  ток возрастает до .  При этом практически все напряжение батареи  падает на сопротивлении . Падение напряжения на переходе при этом близко к нулю. При  ток , то есть току короткого замыкания  [76,С.465].

        Световые характеристики (рис 3.3) выражают зависимость фото-э.д.с., тока короткого замыкания и тока нагрузки от освещенности [43]. Зависимость тока    от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (3.11), а характеристики, выражающие зависимость тока нагрузки от освещенности, нелинейны. Нелинейность между током во внешней цепи и освещенностью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений [29,84].   

                 

 

 

      Iк.з.                                                φх.х.

                                                                  Iк.з.

                                                                                  φх.х.

 

 

              

                                      0                                               Е

 

                 Рис.3.3 Световые характеристики фотоэлемента

 

Спектральные характеристики выражают зависимость фототока на единицу падающего светового потока от длины волны падающего света

Интегральная чувствительность – отношение тока короткого замыкания в цепи фотоэлемента к падающему на фотоэлемент световому потоку от лампы накаливания, вольфрамовая нить которой имеет температуру 2848 К:

                                             .                                                (3.15)

В пределах линейной зависимости тока   от  величина   постоянна для данного типа фотоэлемента [43,С.168].

Спектральная чувствительность – отношение тока короткого замыкания в цепи фотоэлемента к падающему на него потоку монохроматического излучения :

                                             .                                                (3.16)

Спектральная чувствительность уменьшается как в области коротких, так и длинных волн нелинейно [4, С.230].

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) – отношение мощности, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему световому потоку

                                                  .                                         (3.17)

Значение к.п.д. фотоэлемента определяется потерями энергии, зависящими от применяемых материалов и конструкции фотоэлемента, а также выбором режима работы фотоэлемента (сопротивлением нагрузки, освещенностью и температурой). Из–за световых и энергетических потерь реальные кремниевые солнечные фотопреобразователи имеют к.п.д. до 17% (теоретически 22 – 23%) [43,С.171].

Температурная зависимость фототока и фото–э.д.с.  С повышением температуры фотоэлемента заметен слабый рост фототока . Это,             по-видимому, определяется уменьшением ширины запрещенной зоны образца. Темновой ток растет по экспоненциальному закону:

                                                                                           (3.18)

где С – множитель, слабо зависящий от Т,  – энергия активации полупроводника. Из формул (3.7) и (3.18) получим, что при высоких температурах, когда ,

                                                                        (3.19)

то есть фото–э.д.с. растет при уменьшении температуры приблизительно по экспоненциальному закону [43,С.173]. При достаточно низких температурах, когда,  дальнейшее возрастание величины  резко замедляется. Температурная зависимость фото–э.д.с.  характеризуется температурным коэффициентом

                                                                                       (3.20)

 

Частотные характеристики выражают зависимость тока в цепи фотоэлемента от частоты модуляции светового потока при постоянной освещенности и сопротивлении нагрузки .  С увеличением  сила тока  уменьшается из–за инерционности фотоэлементов [43,С.168].

Пусть в момент времени  на фотоэлемент падает прямоугольный световой импульс (рис.3.4,а). В освещенной области возникают неравновесные носители. Ток   (рис.3.4,б)   изменяется из–за рекомбинации и генерации носителей по законам :

при освещении                                                          (3.21)                                              

при затемнении                                                                (3.22)                                                            

            

           Ф

                 

   а)              

                     0                                                            t

   б)       I                                                              

                     0                                                                              

   в)    

                     0                                                          

  г)                                                                     

                      0                                                        

Рис. 3.4. Кривые релаксации: а – светового потока; б – фототока в фотодиодном режиме;

в – фото – э.д.с.при   Iф ≈ Is; г –фото – э.д.с. при Iф ≈ 10³ Is

При достаточно интенсивном освещении ()  фото э.д.с.

                                                                (3.23)

со временем спадает по линейному закону (рис.3.4,г). По наклону прямой (3.23) можно определить время жизни носителя

                                                                                    (3.24)

которое характеризует инерционность фотоэлемента [43, С.176].

Таким образом, каждый полупроводниковый фотопреобразователь характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся: вольт – амперная, световая, спектральная, частотная и температурная характеристики, интегральная и спектральная чувствительности, к.п.д.

3.2. Современные проблемы преобразования солнечной энергии в электрическую

 

 

Для экономичного преобразования солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводниковых фотопреобразователей необходимо обеспечить низкую стоимость и  высокую эффективность самих преобразователей энергии (высокий к.п.д.) [70,71].  Среди различных типов фотоэлектрических преобразователей лишь монокристаллические кремниевые солнечные элементы в настоящее время нашли широкое применение в солнечной энергетике, а их к.п.д. достигает 16…19% [85,С274].

К.п.д. солнечного элемента определяется следующим образом:

                                                                     (3.25)

где FF – фактор заполнения (определяет долю мощности, способной выделится на нагрузке при достижении максимальных значений тока и напряжения),  – ток короткого замыкания,  – напряжение холостого хода,  – мощность солнечного излучения,  – максимальная выходная мощность солнечного элемента [60,С.333].

Наиболее важными параметрами, влияющими на к.п.д. солнечных элементов, являются  и FF.  Эти параметры определяют теоретически достижимый к.п.д. прибора ( ~ 24% для кремниевых солнечных элементов) [1,78]. Ограничения на к.п.д. накладывает целый ряд факторов, таких, как ширина запрещенной зоны материала, неполное поглощение света, потери на отражение от поверхности и т.д. Ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и коэффициент заполнения сильно зависят от того, из какого материала изготовлен солнечный элемент, имеются ли в нем примеси [58, 66].

Наиболее сильно на к.п.д. влияют такие примеси, как Ti, V и Fe, в то время как Cu, Al и Ni начинают оказывать заметное влияние лишь при концентрациях достаточно больших. Ясного понимания причин этого пока нет [32, 69].

Уникальной чертой солнечных элементов, содержащих в запрещенной зоне промежуточные центры, которые уменьшают время жизни, является их реакция на свет [ 30,90] .

Диффузионная длина и ток короткого замыкания возрастают с увеличением интенсивности света в случае солнечных элементов, содержащих дефекты, больше, чем при отсутствии дефектов. Увеличение к.п.д. при освещении связано с увеличением эффективной диффузионной длины неосновных носителей. Сравнение изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа в EBIC–режиме, на свету и в темноте показывает, что рекомбинационный контраст на дефектах при освещении сильно уменьшается (рис. 3.5).

Влияние света может быть объяснено тем, что когда уровень освещения увеличивается, глубокие ловушки в запрещенной зоне заполняются и нейтрализуются. Они перестают играть роль рекомбинационных центров и не влияют больше на свойства прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.5. Исследование рекомбинации на кристаллографических дефектах

в темноте (а) и при освещении (б).  На рис (в) левая половина получена в

темноте, правая – при освещении [60,С352].

         Таким образом, при увеличении интенсивности света происходит улучшение рабочих характеристик солнечного элемента, содержащего дефекты и примеси. Это широко применяется на практике.

3.3. Перспективы создания криоэлектронных приборов и интегральных устройств

 

 

Криоэлектроника, как функциональное направление микроэлектроники, опирается на новые физические явления в полупроводниках, полуметаллах и др., проявляющиеся только при охлаждении. При этом криоэлектронный микроприбор или интегральная криоэлектронная схема может представлять собой симбиоз охлаждаемой электронной схемы и охладителя. Все криоэлектронные приборы в зависимости от температуры охлаждения, применяемых материалов и явлений в них могут быть разделены на приборы азотного, неонового, водородного и гелиевого уровней охлаждения. Уровень охлаждения во многом определяет параметры и области применения криоэлектронных изделий [75].

Появление пленочных криотронов и криотронных интегральных схем сразу же привлекло к себе внимание разработчиков ЭВМ. Возникли проекты разработки криотронных оперативных и ассоциативных запоминающих устройств (ЗУ). Очевидно, что расширение и углубление научных, конструкторских и технологических работ в данной области позволит решить ряд новых важных проблем.

Первая проблема – освоение дальнего и сверхдальнего ИК диапазонов для приема естественных и лазерных ИК излучений. Это позволит расширить спектральные границы систем для изучения природных ресурсов Земли и планет.

Вторая проблема – создание криоэлектронных индикаторов слабого теплового излучения на базе интегральных приборов с зарядовой связью для тепловидения в промышленности, геологии и медицине.

Третья проблема – создание массовых малогабаритных сверхчувствительных приемников, воспринимающих с высокой избирательностью по частоте и помехозащищенностью такие слабые радиосигналы, которые обычные приемники даже не в состоянии обнаружить [3,С.376]. Эти приборы найдут самое широкое применение в системах управления, связи, телеметрии, навигации, космической техники, радиоастрономии, приборостроения.

В заключении необходимо отметить, что развитие криоэлектроники значительно расширяет возможности электронной техники, особенно там, где не требуется сверхминиатюрность.  

 

 

Глава 4. Экспериментальные исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения. Оценка влияния специального спектра примесей на свойства фотопроводимости фотодиодов

       Для исследования брались образцы на основе кремния, одни из которых были созданы фоточувствительными к видимой области спектра (ФД–256 и ФД–320), а другие - нефоточувствительными (КТ–355А).  Свойства фоточувствительных германиевых образцов (ФД-2) сравнивались со свойствами нефоточувствительных образцов (МП–16А), изготовленных также на основе германия.

Рис.4.1. Конструкция фотопреобразователей: а – конструкция ФД–320 [88,С.52]; б -  конструкция ФД–256 [40,С.65]; в – конструкция ФД-2 [53,С.176]; г – конструкция КТ–355А [53,С.177]; д - конструкция МП–16А [53,С.179].

        Фотодиод ФД–320 (рис. 4.1,а) структуры p-n, кремниевый, с квадратным фоточувствительным элементом площадью 25мм² оформлен в пластмассовом корпусе с жесткими выводами, с входным окном в виде линзы. Чувствительность максимальна, когда лучи направлены вдоль оптической оси. Масса 10г.  Рабочее напряжение 10В. Темновой ток 50 нА, постоянная времени 1 мкс, область спектральной фоточувствительности (0,7...1,1) мкм, температура (-60…+85)°С [88,С.52].

Фотодиод ФД–256 (рис. 4.1,б) структуры p–n, кремниевый, выводы гибкие и многопроволочные. Масса 1г. Рабочее напряжение 10В, темновой ток 0,005 мкА, площадь светочувствительной поверхности 1,5 мм²,  постоянная времени 0,002 мкс, область спектральной чувствительности (0,4…1,1) мкм, температура (-60…+85)°С [40,С.65].

В фотодиоде ФД–2 (рис.4.1,в) кристалл германия закреплен в корпусе с помощью кристаллодержателя, выводы выходят наружу через стеклянный изолятор. В верхней части корпуса стеклянная линза, фокусирующая свет на поверхность  кристалла.  Рабочее  напряжение  30В,  темновой   ток    25 мкА,                                    

площадь светочувствительной поверхности 1мм², постоянная времени , температура (-40…+45)°С  [53, С.176].

Транзистор КТ–355А (рис.4.1,г) биполярный кремниевый планарный,   n-p-n, площадь 1мм², температура окружающей среды (213…398)К [53,C.177].    

Транзистор МП–16А (рис.4.1,д) германиевый сплавной p-n-p переключательный низкочастотный маломощный, площадью 9мм², температура окружающей среды (213…343)К [53, С.179].

Свойства p-n переходов кремниевых (или германиевых) фотодиодов сравнивались со свойствами  p-n переходов кремниевых (или германиевых) транзисторов для оценки влияния специальных примесей на свойства фотопроводимости.

Оценка погрешностей в данной работе производится преимущественно методом наименьших квадратов. Проводятся прямые и косвенные измерения. Все результаты заносятся в таблицы.

По приведенной ниже программе можно проводить факультативные занятия по физике в старших классах в школе, а также в вузе.

4.1. Количественная проверка основного уравнения фотодиода

 

Для количественной проверки основного уравнения фотодиода используется соотношение (3.7). Для измерения величин , , собирают схему, изображенную на рис. 4.2. Величины токов  и при разных освещенностях определяют микроамперметром, а ток  – вычислением : .

 

 

Рис. 4.2. Схема установки для проверки основных соотношений для фотодиода:

Б – источник постоянного тока (ВС– 24); R – реостат (1000 Ом); V – вольтметр (Щ 4313), µА – микроамперметр (Щ4313); ФД – фотодиод; П – двухполюсный ключ; О – осветитель; ПП63 – потенциометр; ЛК – люксметр (Ю17)

 

По результатам измерения величин , ,  при разных освещенностях заполняют таблицу и стоят график зависимости      

 

 

 

 

 

Таблица 4.1. Количественная                             Таблица 4.2. Количественная

проверка основного уравнения                            проверка основного уравнения

фотодиода  ФД–2                                                 фотодиода ФД–320

 

2,8	0,046
2,9	0,049
3,0	0,053
3,0	0,054
3,1	0,056
3,2	0,059
3,2	0,062
3,3	0,063
3,3	0,064
3,4	0,069
3,5	0,072
3,6	0,076
3,7	0,080
3,8	0,084
4,0	0,092
4,0	0,093

 

4,6	0,052
4,7	0,054
4,7	0,057
4,8	0,059
4,8	0,062
4,9	0,066
4,9	0,069
5,0	0,072
5,0	0,074
5,1	0,080
5,2	0,082
5,2	0,087
5,3	0,089
5,3	0,093
5,4	0,098
5,5	0,103

Обработка результатов измерений:

Применим метод наименьших квадратов:

             ФД–2                                                                     ФД – 320

= - 0,000198,  = 0,024448                  = - 0,002204,  = 0,025443

      = 0,024 В                                             = 0,025 В  

 

Погрешность измерений:

    

, 

Теоретический расчет при  = 293К  дает:                = 0,025В.

  

                                                      

                                                                                                      

Рис. 4.3. Зависимость фото – э.д.с. от ℓn (Iф / Is + 1) для ФД - 2

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                         

 

 

 

 

 

Рис. 4.4. Зависимость фото – э.д.с. от  ℓn (Iф / Is + 1) для ФД – 320

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.3. Количественная          Таблица 4.4. Количественная                                  проверка основного уравнения                            проверка основного уравнения

для  МП–16А                                                          для  КТ–355А

	φ, В
6,15	0,110
6,20	0,120
6,23	0,125
6,28	0,134
6,32	0,142
6,37	0,152
6,40	0,158
6,45	0,168
6,52	0,179
6,52	0,180

 

	φ, В
1,5	0,01
1,9	0,02
2,1	0,03
2,4	0,04
2,8	0,05
3,0	0,06
3,3	0,07
3,5	0,08
3,8	0,09
4,0	0,10

Обработка результатов измерений:

Применим метод наименьших квадратов:

             МП–16А                                                            КТ-355А

= - 0,036254,  = 0,023043                      = - 0,043210,  = 0,024323          

       = 0,023 В                                                = 0,024 В  

Погрешность измерений:

,     

,   

Теоретический расчет при  = 293К  дает:                = 0,025В

Измерение наклона прямых (рис. 4.3,4.4,4.5,4.6) в пределах погрешности измерений подтверждает данное положение теории, как для фотодиодов    ФД-2 и ФД–320, так и для КТ–355А и МП–16А, не содержащих спектр специальных примесей, ответственных за фоточувствительность.

 

 

        

                                                                                                         

Рис. 4.5. Зависимость фото – э.д.с. от ℓn ( Iф / Is + 1) для МП – 16А

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                      

 

Рис. 4.6. Зависимость фото – э.д.с. от ℓn ( Iф / Is + 1) для КТ – 355А

Как видно из рисунков, экспериментальные точки хорошо накладываются на прямые линии. Такой результат объясняется тем, что     ФД–2, ФД–320, МП–16А и КТ–355А работают на  p-n  переходах, обладающих специфическими свойствами. Эксперимент подтверждает справедливость основного уравнения фотодиода и, следовательно, общие положения теории фотопроводимости.

 

 

4.2. Получение световых характеристик фотодиодов

 

Для снятия световых характеристик фотодиода используем схему, изображенную на рис. 4.7.

 

 

Рис. 4.7. Схема для снятия характеристик фотодиода:

Д – двигатель с прерывателем света; О – осветитель; ЛК – люксметр (Ю17);            µА – микроамперметр (Щ4313); ФД – фотодиод; Rн – магазин сопротивлений (Р– 33);   ЭО – осциллограф (ИО–4); V – вольтметр (Щ 4313), R1 – реостат (1000 Ом)

 

При снятии световой характеристики устанавливают определенное значение сопротивления (= 1000 Ом), затем находят величину тока, а также  при изменении освещенности до максимального значения. Результаты измерений заносятся в таблицы и по их значениям для образцов ФД–2, ФД–320, КТ–355А и МП–16А строят графики зависимости             и  :

 

 

 

Таблица 4.5. Определение за-                           Таблица 4.6. Определение за-

висимости фототока фотодиода                         висимости фототока фотодиода

ФД – 2 от освещенности                                          ФД -320 от освещенности

Iф, мА	Е, лк
0,063	40
0,064	50
0,080	110
0,087	150
0,093	170
0,098	190
0,112	250
0,125	320
0,130	350
0,142	405
0,149	450
0,164	550
0,175	610
0,183	670
0,193	750
0,198	800

 

Iф, мА	Е, лк
0,042	40
0,044	50
0,046	60
0,048	100
0,050	110
0,055	150
0,057	170
0,060	200
0,062	220
0,065	250
0,068	300
0,071	320
0,073	350
0,079	430
0,083	500
0,085	550

 

 

Обработка результатов                                 Обработка результатов

 измерений:                                                       измерений:

Применим метод наименьших                         Применим метод наименьших

квадратов:                                                           квадратов:

                                            

                   

Погрешность измерений:                                 Погрешность измерений:

,                                     ,  

                                               

 

 

 

Таблица 4.7. Определение за-                           Таблица 4.8. Определение за-

висимости фототока КТ-355А                            висимости фототока МП–16А

от освещенности                                                  от освещенности

 

Iф, мА	Е, лк
0,0017	2100
0,0020	2500
0,0025	3000
0,0029	3500
0,0034	4000
0,0043	5000
0,0046	5500
0,049	6000
0,052	6500
0,0054	7000

 

Iф, мА	Е, лк
0,091	100
0,093	200
0,101	700
0,111	1500
0,117	2000
0,124	2500
0,129	3100
0,132	3500
0,138	4300
0,142	5000

Обработка результатов                               Обработка результатов

измерений:                                                      измерений:

Применим метод наименьших                      Применим метод наименьших

квадратов для КТ – 355А:                              квадратов для МП – 16А:

                                        

,                     

Погрешность измерений:                               Погрешность измерений:

,                             , 

                                                                                                                   

 

            мА

                                                                                                                         Е,лк   

Рис. 4.8. Зависимость фототока фотодиода ФД–2 от освещенности

        

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  мА

                                                                                                                                    Е,лк

Рис. 4.9. Зависимость фототока фотодиода ФД–320 от освещенности

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мА

                                                                                                       Е,лк

Рис. 4.10. Зависимость фототока КТ–355А  от освещенности

 

                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мА

                                                                                                    Е,лк

 

Рис. 4.11. Зависимость фототока МП–16А от освещенности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.9. Определение зави-                    Таблица 4.10. Определение зави-

симости фото-э.д.с. ФД-2                                 симости фото-э.д.с.  ФД-320

от освещенности                                                от освещенности

Е, лк	φ, мВ
40	46
50	49
110	54
150	56
170	62
250	69
350	76
550	88
800	93
850	93

 

Е, лк	φ, мВ
40	58
50	59
110	63
150	66
170	66
250	70
350	74
550	83
750	90
800	92

Обработка результатов                                     Обработка результатов

 измерений:                                                          измерений:

Применим метод наименьших                            Применим метод наименьших

квадратов:                                                              квадратов:

                                                     

                                       

Погрешность измерений:                                    Погрешность измерений:

,  ,                                  ,  ,

                                       

        

Таблица 4.11. Определение зави-                  Таблица 4.12. Определение зави-

симости фото-э.д.с. КТ-355А от Е                 симости фото–э.д.с. МП-16А от Е

Е, лк	φ, мВ
2100	10
2500	20
3000	30
3500	40
4000	47
5000	63
5500	72
6000	80
6500	87
7000	95

 

Е, лк	φ, мВ
100	115
200	120
700	125
1500	142
2000	152
2500	158
3100	165
3500	168
4300	174
5000	180

 

Обработка результатов измерений:    Обработка результатов измерений:

 Применим метод наименьших                     Применим метод наименьших

квадратов:                                                         квадратов:

                                                                                              

                                

Погрешность измерений:                                Погрешность измерений:

 ,                                             ,

                              

     мВ

Е,лк

                                                                                                              

Рис. 4.12. Зависимость фото – э.д.с. фотодиода ФД–2 от освещенности

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мВ

Е,лк

               Рис. 4.13. Зависимость фото – э.д.с. фотодиода ФД–320 от освещенности

 

           мВ

 Е,лк

 

Рис. 4.14. Зависимость фото–э.д.с.  КТ–355А от освещенности

 

 

 

           

 

 

мВ

Е,лк

                                    Рис. 4.15. Зависимость фото–э.д.с. МП–16А от освещенности

 

Из рисунков 4.8 – 4.11 видим, что в фотодиодном режиме при освещенности 50–300лк для ФД–2, ФД–320 и 50–2000 лк для МП–16А, КТ–355А наблюдается строгая линейная зависимость фототока от освещенности, что является важным достоинством фотодиодов. Из рисунков 4.12–4.15 делаем вывод, что фото-э.д.с. логарифмически зависит от освещенности. Результаты исследования подтверждают теорию, справедливую как для фотодиодов, содержащих спектр специальных примесей, так и для не содержащих.

4.3. Исследование ВАХ при разных освещенностях

 

 

Для снятия вольт–амперной характеристики фотодиода собирают схему, изображенную на рис.4.7. Устанавливают определенное значение освещенности, которое измеряют люксметром (Ю17), а затем находят величину тока  при изменении сопротивления  от 0 до 99999,9 Ом. Вычислив  при разных  ( =2 МОм), строят график зависимости  по которому находят  и . (рис. 4.16).

Таблица 4.13. Экспериментальные значения  и  

 

	I к.з, мкА	φх.х., В	∆ I к.з., мкА	∆ φх.х., В	Е, лк
КТ–355А	25	25	± 1	± 1	20 000
ФД–320	35	39	± 1	± 1	20 000
МП–16А	65	26	± 1	± 1	20 000
ФД-2	94	36	± 1	± 1	20 000

 

На рис.4.16 характеристики в квадранте  соответствуют подключению фотодиодов к источнику напряжения в прямом направлении. В квадранте II изображены характеристики работы фотодиодов в вентильном режиме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.16. Вольт-амперные характеристики p-n переходов исследуемых образцов при разных освещенностях

Пересечение кривых с осью токов соответствует режиму короткого замыкания,  то есть выводы фотодиода замкнуты накоротко, а пересечение с осью напряжений соответствует режиму холостого хода при разомкнутых выводах .  В квадранте III показано семейство ВАХ в фотодиодном режиме. Рабочим участком характеристик является область насыщения. При критическом напряжении   наступает электрический пробой, при этом  , больше чем    приблизительно на 40% (например ).

Из рисунка 4.16 видим, что ток нагрузки при увеличении светового потока возрастает пропорционально этому потоку. Ток  прямо пропорционален освещенности. Темновой ток для кремниевых фотодиодов составляет порядка 2мкА, для германиевых 20мкА при комнатной температуре  (рис.4.16).  Фото–э.д.с.  (таблица 4.13) для фотодиодов  ФД–320 и ФД–2 со спектром специальных примесей значительно больше, чем для   КТ–355А и МП–16А, не содержащих специальные примесные уровни.  Таким образом, вводя специальные примеси можно увеличить фоточувствительность фотодиода, что имеет важное практическое значение.

4.4. Метод спектрального определения глубоких уровней в фоточувствительных полупроводниках

 

Существует множество методов определения глубины залегания примесей. Но все они достаточно сложны и требуют дорогостоящего прецизионного оборудования. Поэтому для нас наибольший интерес представляет сравнительно простой метод спектрального определения глубоких уровней в фоточувствительных полупроводниках [45,46].

Для выделения монохроматического излучения в области спектра от 200 до 800 нм используется монохроматор универсальный малогабаритный         

 (рис.4.17)  МУМ 1.720.012 – 01,  а также монохроматор УМ–2. Погрешность показаний счетчика длин волн у монохроматора МУМ–1  .

 

Рис. 4.17. Оптическая схема монохроматора МУМ–1: 1–лампа, 2–конденсор, 3–входная щель, 4–зеркало, 5–вогнутая дифракционная решетка, 6–плоское зеркало, 7–выходная щель, 8–выходная щель, 9–фотодиод

 

Суть методики в следующем. Высокая фоточувствительность большинства соединений связана с наличием скомпенсированных акцепторных центров. Для их создания вводят как донорную, так и акцепторную примеси. Максимум спектральной интенсивности излучения соответствует ширине запрещенной зоны. Поэтому можно эксперементально определить, что ширина запрещенной зоны для кремния равна 1,12 эВ (это табличное значение). Если за длинноволновую (или красную) границу примесной фотопроводимости выбрать точку, где фоточувствительность падает до некоторого значения, которое она имеет в области относительно слабого её применения, то фотовозбуждению носителей с примесных центров соответствуют переходы с энергией, равной приблизительно

                             где  

1,65эВ. Вычитая ширину запрещенной зоны для кремния, получаем энергию ионизации центров Zn (II группа, акцептор) и Fe (VIII группа, донор)  0,55эВ. Таким образом, глубина залегания примесей Zn и Fe в Si равна 0,55 эВ     (рис.4.18). Наличие специальных примесей приводит к увеличению фоточувствительности прибора.

Фотоотклик, относительные единицы

  

 

                               2,50             1,65                  1,20                1,12             эВ

 

           100-

                                                                      Si:Zn:Fe                    Si

 

                                                                           

 

 

 

 

            10 -

 

 

 

 

 

 

 

 

               1

                    400     500     600    700    800   900    1000     1100     1200            ,нм

 

 

Рис.4.18. Спектральные характеристики для ФД-256  (Si : Zn : Fe) и  

 КТ–355А (Si) при  Е = 6000лк

 

4.5. Исследование интегральной и спектральной чувствительности

 

Интегральная чувствительность находится по световым характеристикам, как тангенс угла наклона кривой, с учетом площади светочувствительной поверхности:    где отношение    

 

вычислено в пункте IV.2 (), а площади  известны.

        

 

Погрешность люксметра  (Ю17)  тогда

                   

 

 

Таблица 4.14

Интегральная чувствительность фотодиодов

 

	ФД-2	ФД-320	КТ–355А	МП–16А
	13,1 ± 1,3	3,4 ± 0,3	0,8 ± 0,1	1,2 ± 0,1

 

Из таблицы 4.14 видим, что чувствительность германиевого фотодиода со специальными примесями (ФД–2) больше, чем для МП–16А (без примесей), почти в 10 раз. Чувствительность кремниевого ФД–320 со специальными примесями больше, чем для КТ–355А (без примесей), приблизительно в 4 раза. Таким образом, введение примесей увеличивает чувствительность прибора в несколько раз, что очень важно для производства и использования фоточувствительных приборов.

Таблица 4.15

Спектральная чувствительность ФД–256

400	0	0
450	33	0,006
500	100	0,017
550	250	0,042
600	410	0,068
650	590	0,098
700	700	0,117
750	750	0,125
800	650	0,108

 

Спектральная чувствительность по определению равна:

                              ,                    (4.1)

т.е. должна линейно зависеть от длины волны  и проходить через начало координат. Определим экспериментально по спектральной характеристике, так ли это для ФД–256, с учетом того, что

 

 

 

           

              

            0,14

 

            0,12

           

             0,10

 

             0,08

 

             0,06

            

             0,04

                                                                         

             0,02-

 

 

                      450   500   550  600   650  700  750   800   850      ,нм

 

 

Рис. 4.19 Зависимость спектральной чувствительности ФД–256 от длины волны

 

Таким образом, экспериментально обнаружено (рис.4.19), что спектральная чувствительность уменьшается как в области коротких, так и длинных волн нелинейно. Уменьшение чувствительности в области коротких волн по сравнению со значениями, получаемыми из соотношения (4.1), связано с тем, что при уменьшении длины волны световая энергия поглощается в тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда за счет наличия ловушек значительно больше,  чем в глубине полупроводника. Спад чувствительности в области больших длин волн соответствует краю собственного поглощения материала фотодиода, когда энергия кванта примерно равна ширине запрещенной зоны.

Пороговая чувствительность в единичной частотной полосе () определяется следующим образом:

для ФД–256. Таким образом, можно определить минимальный световой сигнал, вызывающий появление тока. Пороговая чувствительность оценивается световым эквивалентом шума

4.6. Температурные характеристики фототока и фото–э.д.с.

 

Температурные зависимости тока насыщения  и фототока исследуемых образцов в интервале температур -17°С…+90°С  представлены на рис.4.20, зависимость фото–э.д.с.  от температуры на рис.4.21.

Фототок  для ФД–2 и ФД–320 практически не зависит от температуры, что хорошо согласуется с теорией, ведь  фотодиодов определяется числом поглощенных квантов. Слабый рост  с повышением

Т связан с уменьшением ширины запрещенной зоны. Для фотопреобразователей МП–16А и КТ–355А фототок сильно зависит от Т, зависимость линейная, что связано с конструкцией приборов, отсутствием специальных примесей. Это основной недостаток. МП–16А и КТ–355А.

Из рисунка 4.20 видим, что температурная зависимость темнового тока  для всех фотопреобразователей экспоненциальная. Для германиевых       МП–16А и ФД–2 зависимость  от  Т  более сильная, чем для кремниевых КТ–355А и ФД–320. Это является недостатком германиевых фотодиодов и связано с температурной зависимостью концентрации неосновных носителей.

Ширина запрещенной зоны германия (0,66эВ) меньше, чем у кремния (1,12эВ) [53,С.447], поэтому предельная температура  выше для кремниевых фотодиодов. Из  экспериментальных  кривых  (рис. 4.20)  видим,

 

 

 

      Is,мкА                                                                                                              Is (МП-16А)

 

 

Iф,мкА    180-

                                                                                                                              Iф(МП-16А)

    80-  160-

                                                                                                                               Is (ФД-320)

           140-                                                                                                             Is (ФД-2)

 

    60-  120-

 

           100-                                                 Ткомн.

                                                                                                                               Iф (ФД-2)

    40-   80-                                                                                                             

                                                                                                                               Iф (ФД-320)

             60-

 

    20-   40-

 

             20-                                                                                                             Is (КТ-355А)

                                                                                                                              Iф (КТ-355А)

 

       0        0    256   263   273  283   293   303   313   323   333   343   353   363   373   383    Т,К

 

 

Рис.4.20. Температурные зависимости тока насыщения  и фототока фотодиодов

 

 

 

 

 

 

 

 

        ,мВ

              100-          

 

                90-

 

                80-                                             Ткомн.

 

                70-

 

                60-

                    

                50-                                                                                                         (ФД-320)

 

                40-                                                                                                          (ФД-2)

 

                30-                                                                                                          (КТ-355А)

                                                                                                                                (МП-16А)

                20-

 

                10-

                    0    256   263   273  283   293   303   313   323   333   343   353   363   373   Т,К   

 

    

  Рис. 4.21. Температурная зависимость фото – э.д.с.  фотодиодов

 

что максимальная рабочая температура для германиевого ФД–2 приблизительно 320К (пока зависимость тока от Т линейная), для кремниевого ФД–320 , для устройств без примесей ,  Это подтверждает теорию [88-90].

Из рис.4.21 следует, что фото–э.д.с. при уменьшении Т растет экспоненциально и для поддержания  потенциальный барьер должен снижаться. Эксперимент подтверждает это.

Таким образом, кремниевые фотодиоды более выгодно использовать в различных схемах и установках, чем германиевые. Вот почему сегодня германиевые фотодиоды практически выведены с производства. Достоинством кремниевых фотодиодов являются больший (почти в 2 раза) интервал рабочих температур, очень слабая зависимость тока  от температуры Т.

4.7. Исследование к.п.д. фотодиодов

 

При исследовании к.п.д. фотопреобразователей оптимальное сопротивление нагрузки  должно выбираться так, чтобы мощность на нагрузке была максимальной, тогда эффективность преобразования (к.п.д.) будет максимальной:

где  - освещенность,  - площадь светочувствительной поверхности.

Проверим зависимость к.п.д. кремниевого фотодиода ФД–320 от сопротивления нагрузки. Для этого воспользуемся вольт-амперной характеристикой ФД–320 (рис. 4.16).  Результаты вычислений занесем в таблицу.

Таблица 4.16

Зависимость к.п.д. ФД–320 от сопротивления нагрузки

 

№
1	34	2	0,14	0,3
2	31	10	0,32	1,6
3	24	20	0,83	2,4
4	14	30	2,14	2,1
5	8	35	4,38	1,4
Для   и	35	39	9,99	6,8

 

Из таблицы 4.16 видим, что оптимальное сопротивление нагрузки  Ом, при котором максимальный к.п.д. для ФД–320 равен 2,4%.  Фактор заполнения, показывающий степень приближения формы ВАХ к прямоугольной, равен       и означает величину выходной мощности.

С увеличением светового потока к.п.д. фотопреобразователей возрастает (табл.4.17) до определенного предела.

Погрешность измерений:

                                          .

Таблица 4.17

Зависимость к.п.д. фотопреобразователей от освещенности

500	0,7	2,0	3,0	5,6
1000	0,8	2,1	3,1	5,7
2000	0,9	2,2	3,2	5,8
4000	1,0	2,3	3,3	5,9
8000	1,0	2,3	3,4	6,0
20000	1,1	2,4	3,6	6,9
40000	1,0	2,3	3,5	6,7

 

При увеличении светового потока повышается температура фотодиода, что приводит к снижению к.п.д. при больших освещенностях, так как возрастает ток  (рис.4.20), зависящий от концентрации неравновесных носителей заряда.

Из анализа таблицы 4.17 делаем вывод, что к.п.д. фотодиодов без специальных примесей меньше, чем к.п.д. фотодиодов со специальными примесями (ФД–320 и ФД–2), что говорит о пользе введения примесей.

4.8. Частотные характеристики и определение постоянной времени

 

Для исследования частотной характеристики фотодиода    используется схема, приведенная на рис. 4.7. Частота модуляции светового потока изменяется механическим прерывателем Д, подключенным к РНШ. Для возбуждения фотопроводимости используются прямоугольные импульсы света, для которых длительность светового импульса  равна длительности темнового промежутка . За время освещения образца успевает установиться стационарное значение фотопроводимости, а за время темноты фотопроводимость уменьшается до нуля. Прерыватель света, имеющий частоту вращения 600 – 6000 об/мин и три прямоугольных выреза, является в связи с этим важнейшей частью измерительной установки. При этом частота модуляции света равна 

,

где n – число оборотов за 1с.

На рис. 4.22 показаны частотные характеристики ФД–320, ФД-2,      МП–16А,  КТ–355А. Как видим, при увеличении частоты модуляции светового потока фототок в цепи с фотодиодом уменьшается. Это объясняется тем, что фототок определяется полным числом поглощенных квантов, и чем больше частота механического прерывателя, тем меньше это число квантов, то есть фототок уменьшается.

Iф,мкА

 

    50-                                                                             ФД-320

 

 

    40-

 

 

    30-                                                                

                                                                                        ФД-2

 

    20-

 

 

    10-                                                                               МП-16А

                                                                                         КТ-355А

 

       0        1       2       3       4       5      6       7      8      9       10       ,относ.ед.

 

Рис. 4.22. Частотные характеристики фотодиодов

 

  

Для определения постоянной времени фотодиода  используется та же схема. При освещении фотодиодов прямоугольными световыми импульсами  если с нагрузочного сопротивления Ом подать напряжение на вертикальный вход осциллографа (ИО–4), на экране осциллографа получится кривая релаксации фототока. Так как при затемнении фотодиода за время   происходит уменьшение фототока приблизительно в 2,7 раза, то постоянную времени  можно определить, исследуя спад фототока со временем на экране осциллографа при включенных метках времени.

Таблица 4.18

Определение постоянной времени фотодиодов

Образец	ФД – 320	ФД - 2	КТ – 355А	МП-16А
, С

 

Из таблицы 4.18 видим, что постоянная времени для фотопреобразователей КТ–355А и МП–16А (без специальных примесей) больше, чем для фотодиодов ФД–2 и ФД–320 (содержащих специальные примеси), то есть КТ–355А и МП–16А обладают большой инерционностью и, следовательно, меньшей чувствительностью.

В случае симметрии кривых нарастания и спада, что имеет место при линейной рекомбинации, постоянная времени  совпадает со временем жизни неравновесных носителей. Это дает возможность определять по исследованию релаксационных кривых.

Следует подчеркнуть, что инерционность фотодиодов определяется временем жизни неравновесных носителей.

 Уменьшение постоянной времени фотодиодов, возможное путем введения специальных примесей, приводит к увеличению чувствительности прибора, что широко используется в производстве и применении фотодиодов.

4.9. Расчет предельных параметров полупроводниковых устройств

 

        Одной из важнейших задач является расчет предельных параметров полупроводниковых устройств. Для этого из всех существующих экспериментальных методик наибольший интерес представляет решение данной проблемы с помощью экспериментально определенных температурных зависимостей концентрации носителей заряда. Порядок расчета делается таким образом, чтобы можно было найти интервалы рабочих температур. Для получения предельных параметров кремния, из которого изготовлено большинство исследуемых в данной работе образцов, используется датчик Холла ДХК–0.5А на основе кремния (рис.4.23).

 

                      а)                                                                                б)

Рис. 4.23. Схема подключения датчика ДХК–0.5А (а) и внешний вид датчика  ДХК–0.5А (б) [89,С.46]

       На первом этапе по экспериментальным точкам строится зависимость коэффициента Холла R от температуры Т, то есть , где b – выбирается исходя из удобств построения графика (b=1000), в котором для температуры берется обратный масштаб (рис.4.24,а). Для определения R используется выражение

,

где I – управляющий ток (3мА), В – магнитная индукция (0,08Тл),                   d – толщина образца в направлении магнитного поля (0,4 мм),                         ε – э.д.с. Холла, измеряемая вольтметром Щ 4313 .

                                                                     

 

80                                                                                   1,2

 

75                                                                                   1,1

 

70                                                                                   1,0

 

65                                                                                   0,9

 

60                                                                   0,8                                          

     2,8     3,0     3,2     3,4   3,6                                         2,8     3,0     3,2     3,4   3,6

 

а)                                                                                   б)

Рис. 4.24. Температурные зависимости коэффициента Холла (а) и концентрации носителей заряда (б)

 

Шкала обратных величин температуры в измеренном интервале           280–353К делится на равные части так, чтобы получилось около 40 точек , и в этих точках вычисляется концентрация носителей заряда (их знак определяется правилом левой руки). В данном случае носителями заряда являются электроны, имеющие концентрацию

Результаты расчета концентрации носителей с помощью ЭВМ представлены на рис. 4.24,б. По среднему значению постоянной Холла  вычисляется средняя концентрация носителей n.

.

Удельное сопротивление ρ образца

    .

Зная ρ и , можно вычислить среднюю подвижность носителей заряда

       ,     

При исследовании температурной зависимости сопротивления образца определяем энергию активации полупроводника  ∆Е по двум температурам

  ,

которая отсчитывается от дна зоны проводимости. Эта энергия соответствует донорным уровням лития Li в кремнии [47,С.12].

Наличие мелких примесных уровней Li в кремнии улучшает параметры исследуемого полупроводника, так как дрейф Li имеет место вплоть до температуры, близкой к комнатной, в частности, в области больших полей в p-n переходах.

Графически  (рис.4.24,б) выявляются те температурные интервалы [], в которых наблюдается четкая закономерность зависимости концентрации носителей заряда от температуры, корни постоянны и физически допустимы. Тогда наиболее оптимальный рабочий интервал температур +12°С…+80°С. Максимальная температура окружающей среды +80°С. Нижняя температурная граница может быть и ниже.

Данная методика расчета предельных параметров полупроводниковых устройств может быть использована при произвольном вырождении газа носителей заряда и позволяет сделать полный расчет параметров полупроводникового материала. Поэтому она может широко применяться при контроле параметров полупроводников, в частности, кремния.

 

Выводы

Анализ результатов исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения и проведение сравнительных характеристик вольт–амперных, световых, люкc–амперных, спектральных, частотных и температурных зависимостей для образцов на основе кремния и германия, содержащих спектр специальных примесей, ответственных за фоточувствительность, и не содержащих, позволяют сделать вывод о том, что примеси играют решающую роль для оптических свойств полупроводниковых фотопреобразователей.

Практически важным проявлением процессов, обусловленных примесями с глубокими уровнями, служит примесная фотопроводимость. В общем случае влияние примесных центров наиболее существенно, когда соответствующие им уровни располагаются вблизи середины запрещенной зоны, поскольку при этом обмен носителями между зоной проводимости и валентной зоной через эти центры наиболее эффективен.

При изучении глубоких примесей основной проблемой является неприменимость водородоподобной модели атома в большинстве случаев. Поэтому наиболее простым решением данной проблемы является рассмотрение модели двух локальных уровней, а также экспериментальное определение наличия примесных уровней и глубины залегания примесей в полупроводниках.

Рассмотренный нами метод спектрального определения глубины залегания примесных уровней является достаточно простым. Он позволяет сделать заключение о том, что в исследуемом кремниевом образце содержатся примеси железа Fe и цинка Zn с энергией ионизации 0,55 эВ.  Это глубокие уровни, скомпенсированные, так как присутствуют и доноры и акцепторы. Они значительно увеличивают фоточувствительность приборов. Путем подбора примесей для  полупроводников исследователи теперь в состоянии получать структуры с требуемыми свойствами. Это также открывает широкие возможности для изучения важнейших свойств электронно–дырочных переходов и понимания физических явлений в различных полупроводниковых приборах: диодах, транзисторах и т.д. Это дает возможность раскрыть технологию изготовления полупроводниковых материалов.

При исследовании эффектов, вызванных глубокими примесями в кремнии и германии  - полупроводниках с хорошо контролируемыми свойствами, - удалось достаточно полно понять физику соответствующих процессов. Это, в свою очередь, помогло объяснить ещё более сложные эффекты, наблюдаемые в p-n переходах, где в запрещенной зоне имеется более чем один тип примесных уровней, при низких температурах.

Вместе с тем существует так много факторов, влияющих на энергетические уровни глубоких примесей, что на создание универсальной теории надеяться,         по-видимому, не приходится. Поэтому остается обратиться к экспериментальным работам по определению энергетического положения уровней и изучению специфических свойств примесных  p-n переходов.  Центры с глубокими уровнями (Zn и Fe), присутствие примесей золота или серебра способствуют увеличению тока, протекающего через p-n переход при прямом или обратном смещениях. Это, по–видимому, обусловлено появлением дополнительной рекомбинационной компоненты тока в области объемного заряда, а также уменьшением объемного времени жизни носителей.

 

Глава 5. Типология элективных курсов и их роль в организации профильного и предпрофильного обучения

 

В концепции профильного обучения на старшей ступени общего образования, утвержденной приказом Министерства образования России от 18.07.02 № 2783, сформулированы цели профильного обучения, среди которых — создание условий для дифференциации содержания обучения старшеклассников с широкими и гибкими возможностями построения школьниками индивидуальных образовательных программ. Для реализации этой цели необходимо использовать модель дифференциации обучения, при которой профильность достигается за счет различных комбинаций следующих учебных курсов:

Ø базовые общеобразовательные предметы являются обязательными для всех учащихся во всех профилях обучения. Их число не должно быть чрезмерно большим (не более 7), но в тоже время это должен быть функционально полный набор.

Концепцией профильного обучения предлагается следующий набор обязательных общеобразовательных курсов: русский язык, литература, иностранный язык, математика, история, физкультура, а также интегрированные курсы обществоведения (для естественно-математического, технологического и иных возможных профилей), естествознания (для гуманитарного, социально-экономического и иных возможных профилей).

Ø профильные общеобразовательные курсы – это курсы повышенного уровня, призванные углублять в старшей школе базовые общеобразовательные предметы и определяющие направленность каждого конкретного профиля обучения. При этом на профильном уровне базовые предметы могут быть представлены совокупностью отдельных профильных курсов.

Ø элективные курсы – обязательные курсы по выбору учащихся, входящие в состав профиля обучения на старшей ступени школы. В первую очередь - это занятия по выбору, позволяющие школьникам развить интерес к тому или иному предмету и определить свои профессиональные пристрастия.

Новый элемент учебного плана — элективные курсы. В зависимости от состава «комплекта» этих курсов может работать та или иная модель организации профильного обучения.

Элективные курсы это новейший механизм актуализации и индивидуализации процесса обучения. С хорошо разработанной системой элективных курсов каждый ученик может получить образование с определенным желаемым уклоном в ту или иную область знаний.

Примерное соотношение объемов базовых предметов, профильных и элективных курсов может быть 50%, 30%, 20% от общего числа часов учебного плана.

Набор профильных и элективных курсов на основе базовых общеобразовательных предметов составит индивидуальную образовательную «траекторию» для каждого школьника.

Элективные курсы реализуются за счет школьного компонента образования и могут выполнять несколько функций:

— дополнять содержание профильного курса;

— развивать содержание одного из базовых курсов;

— удовлетворять разнообразные познавательные интересы школьников, выходящие за рамки выбранного ими профиля.

Элективные курсы могут выполнить еще одну важную функцию — стать «полигоном» для создания и экспериментальной проверки нового поколения учебных материалов. Так как курсы должны соответствовать запросам учащихся, которые их выбирают, появляется возможность на примере учебных пособий для элективных курсов отработать условия реализации мотивационной функции учебника.

В целях ориентации школьников на выбор профиля обучения на старшей ступени предусматривается проведение в IX классах основной школы предпрофильной подготовки. Для этого в базисном учебном плане выделяется 2 ч в неделю (68 ч в год) на специально организованные краткосрочные (от месяца до полугодия) курсы. Их цель — самоопределение учеников относительно профиля обучения в старших классах.

В течение учебного года ученик может прослушать 8 разных видов курсов (при их месячной продолжительности), 4 вида курсов (длительностью в одну учебную четверть) или 2 вида курсов (при их продолжительности в одно учебное полугодие).

Можно условно выделить следующие типы предпрофильных элективных курсов:

Ø   Предметные курсы. Повышают уровень изучения конкретной учебной дисциплины, подготавливая школьников к профильному уровню учебного предмета. Например, «Влияние факторов среды на системы органов».

Ø   Курсы, ориентирующие на выбор профиля обучения. Знакомство с видами профессиональной деятельности и разными формами организации познавательной деятельности, характерными для данной дисциплины. Например, «Проектная деятельность. Культура здоровья».

Профильные элективные курсы классифицируются следующим образом:

Ø  Предметные курсы. Предполагают повышенный уровень изучения профильного предмета в профильном классе. Например, «Современные достижения генетики».

Ø  Курсы, поддерживающие базовый учебный предмет, помогающие в подготовке к экзамену по этому предмету на повышенном уровне. Например, «Основные алгоритмы решения генетических задач».

Ø  Межпредметные курсы. Опора на межпредметные связи, т.е. возможность изучать два предмета на профильном уровне. Например, «Биогеография растений».

Ø  Курсы, освещающие области деятельности, выходящие за рамки традиционных школьных предметов.

Ø  Курсы с ориентацией на приобретение школьниками образовательных результатов для успешного продвижения на рынке труда.

Элективные курсы по физике можно разделить на несколько групп:

1.       Элективные курсы повышенного уровня, направленные на углубленное изучение физики, имеющие как тематическое, так и временное согласование с профильным курсом физики. Выбор такого элективного курса позволит изучить физику на углубленном уровне.

2.       Элективные спецкурсы, в которых углубленно изучаются отдельные разделы основного курса физики. Примерами таких курсов могут быть: «Механика», «Строение и свойства вещества», «Термодинамика», «Волновая оптика», «Специальная теория относительности», «Физика атома и атомного ядра» и др. Ясно, что в элективных курсах этого типа выбранная тема изучается более глубоко, чем при выборе курса повышенного уровня.

3.       Элективные спецкурсы, в которых углубленно изучаются отдельные разделы основного курса, не входящие в обязательную программу курса физики. Примерами таких курсов могут быть: «Гидро- и аэродинамика», «Уравнения Максвелла», «Физика плазмы», «Элементы квантовой механики» и др.

4.       Прикладные элективные курсы, цель которых — знакомство учащихся с важнейшими путями и методами применения знаний по физике на практике, развитие интереса учащихся к современной технике и производству. Приведем возможные примеры таких курсов: «Физика и компьютер», «Курс прикладной физики с изучением основ механизации производства», «Курс прикладной физики на материале автоматики», «Курс прикладной физики на материале сельскохозяйственного производства», «Техника и окружающая среда» и др.

5.       Элективные курсы изучения физических методов познания природы Примерами таких курсов могут быть: «Измерения физических величин», «Фундаментальные эксперименты в физической науке», «Школьный физический практикум: наблюдение эксперимент, моделирование», «Методы физико-технических исследований», «Как делаются открытия в физике», «Физико-техническое моделирование» и т.д.

6.       Элективные курсы по истории физики и астрономии.

7.      Элективные курсы по решению физических задач, в том числе составлению и решению задач на основе физического эксперимента.

К элективным курсам предъявляются особые требования, направленные на активизацию самостоятельной деятельности учащихся, что реально возможно, поскольку эти курсы не связаны рамками образовательных стандартов и какими-либо экзаменационными материалами.

При работе в условиях профильной школы нельзя забывать о главной задаче российской образовательной политики — обеспечение современного качества образования на основе сохранения его фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным потребностям личности, общества и государства.

Таким образом, современная школа не должна отказываться от цели приобретения учениками знаний, умений, навыков (ЗУНов), но должна считать приоритетным направлением деятельности — развитие школьников, обучение их решению учебных и жизненных проблем, умению учиться.

Элективные курсы связаны с приобретением учащимися общеучебных умений (например, с освоением способов анализа информации, приемов конструирования сообщения, способов совместной деятельности, решения проблем и т.д.).

Возможна адаптация наиболее удачных существующих курсов по выбору в различных странах мира к условиям России. С этой целью необходимо изучить опыт проведения элективных курсов в развитых странах и отобрать пособия, получившие широкое распространение.

Полезно также опираться на 30-летний опыт существования системы факультативных занятий в СССР. Тогда были созданы десятки программ разных факультативных курсов и, хотя не все из них стали массовыми, среди них было много весьма достойных, к тому же обеспеченных учебными пособиями для учащихся и методическими пособиями для учителей.

При изучении элективных курсов появляется возможность реализовать современную тенденцию, заключающуюся в том, что усвоение предметного содержания из цели образования превращается в средство такого эмоционального, социального и интеллектуального развития ребенка, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию.

Цель элективных курсов

Цель элективных курсов в предпрофильной подготовке и профильном обучении — индивидуализация обучения, подготовка учащихся к осознанному и ответственному выбору сферы будущей профессиональной деятельности. Основной целью элективных курсов в предпрофильной подготовке является ориентация учащихся на выбор профиля в соответствии с интересами, склонностями и способностями.

Базовый курс физики, изучаемый в основной школе, значительно отличается от профильного курса физики. Поэтому содержание и форма организации занятий в рамках курсов по выбору должны быть направлены на создание особой учебной среды, которая бы отражала специфику изучения предмета на более высоком уровне в старшей профильной школе. Иными словами на занятиях элективного курса ученик должен попробовать себя в специфических видах деятельности, присущих физике (планирование, проведение эксперимента и обработка полученных результатов, решение более сложных расчетных, экспериментальных и качественных задач). После осуществления данной пробы школьник должен ответить на вопросы: «Хочу ли я изучать физику как профильный предмет?», «Могу ли я изучать физику на более высоком уровне?», «Каких умений и навыков мне не хватает, для того, чтобы изучать физику на профильном уровне?», «Где бы я хотел получать профильное образование по физике?» и т.д.

Таким образом, элективные курсы в предпрофильной подготовке решают следующие задачи:

Ø удовлетворение познавательных интересов школьников;

Ø проба специфических видов деятельности, присущих определенному предмету или образовательной области;

Ø оценка учащимися своих способностей и возможностей.

Содержание курсов по выбору, с одной стороны, должно соответствовать возрастным особенностям и познавательным возможностям девятиклассников, с другой стороны — оно должно развивать положительную учебную мотивацию учеников, предоставляя учащимся опыт работы на уровне повышенных предметных требований.

Содержание элективных курсов по физике выходит за рамки федерального стандарта образования, поэтому вопросы, рассматриваемые в курсах по выбору, могут быть самыми разнообразными. По содержанию их можно разделить на два типа: предметные и межпредметные (интегрированные, ориентационные). При создании элективных курсов педагог должен ответить на следующие вопросы, какое содержание и какие организационные формы позволят наиболее полно реализовать задачи предпрофильной подготовки. В курс могут быть включены предметные вопросы, которые отсутствуют в базовых общеобразовательных курсах, представлены в недостаточном объеме или же недостаточно хорошо отрабатываются из-за дефицита учебного времени. Такой элективный курс, кроме ориентационной функции, выполняет компенсирующую функцию. Но, тем не менее, даже такие курсы не должны дублировать базовые. Они должны содержать новый для учащихся материал или же новые виды и способы деятельности с предметным содержанием. Межпредметные курсы посвящаются, как правило, изучению ключевых проблем современности, способам их решения в различных профессиональных областях.

Самое главное требование, предъявляемое к содержанию курсов по выбору в предпрофильной подготовке — это ориентирующий характер, оригинальность и новизна для учащихся. Кроме того, содержание курсов не должно быть очень большим (до 34 час), так как в предпрофильной подготовке ученик должен пройти несколько разных элективных курсов, чтобы сделать адекватный выбор профиля обучения.

Содержание курса должно отвечать принципам модульности, чтобы его можно было изучать как отдельный курс или как составную часть большого цикла, состоящего из отдельных модулей.

Самое главное требование, предъявляемое к содержанию курсов по выбору — это ориентирующий характер, оригинальность и новизна для учащихся.

Правила оформления программ

Структура программы элективного курса

Программа элективного курса должна содержать следующие структурные элементы:

Ø титульный лист;

Ø пояснительную записку;

Ø учебно-тематический план;

№	Название темы	Количество часов			Форма проведения	Образовательный продукт
		Всего	Лекции	Практика

 

Ø содержание изучаемого курса;

Ø методические рекомендации;

Ø список литературы для учителей и учащихся;

Ø приложения.

Оформление структурных элементов программы

Титульный лист включает:

Ø наименование образовательного учреждения;

Ø сведения о том, где, когда и кем утверждена программа;

Ø название элективного курса;

Ø класс, на который рассчитана программа;

Ø ФИО и должность автора (авторов) программы;

Ø название города, населенного пункта;

Ø год разработки программы.

Пояснительная записка должна содержать:

Ø вид/тип элективного курса;

Ø аннотация, обоснование необходимости введения данного курса в школе;

Ø указание на место и роль курса в профильном обучении. Важно показать, каково место курса в соотношении как с общеобразовательным, так и с базовыми профильными предметами: какие межпредметные связи реализуются при его изучении, какие общеучебные и профильные умения и навыки при этом развиваются, каким образом создаются условия для активизации познавательного интереса учащихся, профессионального самоопределения;

Ø цель и задачи элективного курса (цель - для чего он изучается, какие потребности учащихся и учителей он удовлетворяет; задачи курса - что необходимо для достижения целей);

Ø сроки реализации программы (продолжительность обучения, этапы);

Ø основные принципы отбора и структурирования материала;

Ø методы и формы обучения, режим занятий (результат изучения элективного курса – это ответ на вопрос: какие знания, умения и навыки будут получены, какие виды деятельности будут освоены, какие ценности будут предложены для усвоения);

Ø предполагаемые результаты;

Ø сведения об апробации программы (если программа или ее элементы уже апробированы в учебном процессе)

Ø инструментарий для оценивания результатов.

Учебно-тематический план включает:

Ø перечень разделов и тем;

Ø количество часов на изучение каждой темы;

Ø вид занятий.

Содержание изучаемого курса содержит:

перечень тем и их реферативное описание.

Методические рекомендации включают:

Ø основные содержательные компоненты по каждому разделу или теме;

Ø описание приемов и средств организации учебно-воспитательного процесса, форм проведения занятий;

Ø дидактические материалы.

Литература включает:

список литературы, а также других видов учебно-методических материалов и пособий, необходимых для изучения курса, как для учителя, так и для учащихся.

Приложение содержит:

Ø темы творческих работ, проектов;

Ø планы проведения экскурсий;

Ø описание лабораторных работ и т. д.

 

Рабочая программа элективного курса по физике  «Аналитическое познание  физики» для 11 класса

 

Пояснительная  записка.

     Физика – точная наука. В основе ее лежит изучение не только качественных, но и количественных соотношений. Важной составляющей этой науки о природе являются расчетные задачи практического содержания, позволяющие не только глубже разобраться в теоретических положениях физической науки, но и научиться объяснять окружающие нас явления, процессы и свойства материального мира, проводить количественные оценки и расчеты различных физических величин, имеющих прикладное значение в жизни, в науке, в производстве, в быту.

    Решение задач - творческий процесс. Подходов к той или иной задаче значительно больше, чем самих задач. Для того, чтобы научить решать задачи по физике, в ходе объяснения их решения придерживаемся более или менее систематизированного порядка действий.

Для того чтобы учащиеся научились решать физические задачи необходима постоянная планомерная работа, для этого и предназначен данный курс. Рабочая программа элективного курса составлена на основе программы общеобразовательных учреждений. Физика. 10-11 классы, авторов В. С. Данюшенкова и О. В. Коршунова- М. : Просвещение, 2007г.

Курс  изучается в  11 классе.  Он рассчитан на 34 ч, по 1 ч в неделю (что соответствует учебному плану школы на 2012-2013 учебный год), на  разбор тестовых заданий  ЕГЭ по физике прошлых лет, решение тестов.

Данный курс связан идейно и содержательно с базовым курсом физики старшей школы и позволяет углубить и расширить их знания и умения решать

задачи повышенной сложности, что особенно важно при решении задач части «С» Единого Государственного Экзамена по физике.

В ходе изучения данного курса создают­ся условия для решения, в частности, следующих образовательных задач:

1. Приобретение учащимися знаний о цикле научного познания, 

2. Приобретение учащимися предметных умений: применять математические методы к решению теоретичес­ких задач.

Кроме того, курс решает задачи воспитания, развития функциональ­ных механизмов психики,  а также типологических и индивидуальных свойств личности

учащихся.

Реализация программы подготовки учащихся к сдаче экзамена по физике осуществляется посредством повторения теоретического материала курса физики

 средней школы, разбора решений типовых задач из всех изучаемых разделов физики, тестов ЕГЭ и ЦТ прошлых лет и задач повышенной трудности,

 требующих комплексного применения физических знаний из школьных разделов физической науки. В ходе обучения  методам решения задач обращается

 внимание:

- на понимание сущности рассматриваемых физических явлений и применяемых физических законов;

- на формирование умения истолковать смысл физических величин и понятий;

- на информированность в вопросах использования основных и производных  единиц измерения физических величин при расчетах на основании системы  «СИ»;

- на возможность использования основных математических приемов при выводе расчетных формул и получении численного решения физической задачи.

Подбор задач для аудиторного разбора, задач для самостоятельного решения и задач в контрольных работах проведен в соответствии с устоявшимися, традиционными вопросами программы по физике, на основе материалов ЕГЭ по физике и письменных вступительных экзаменов. Вместе с тем, предлагаются задания и разбираются приемы решения задач из разделов физики и тем школьного физического курса, которым в курсе физики средней школы не уделяется программой достаточного внимания, в частности, задачи на закон Архимеда, равновесие твердого тела, тепловые и механические свойства твердых тел, задачи геометрической оптики, некоторые тонкости при рассмотрении вопросов квантовой и атомной физики.                                 

Цели изучения элективного курса

1.Овладение адекватными способами решения теоретических и экспериментальных задач.

 2. Подготовка учащихся к сдаче экзамена по физике в форме ЕГЭ.

3.Научить решать задачи, выводить формулы, единицы измерения физических величин.

4. Правильно применять нужные формулы и теоретические знания при решении задач.

5. Применение аналитического синтетического метода – основного метода решения задач по физике во всех классах.

6. Рассматривать решение задач межпредметного  содержания, которые позволяют углубить знания, практические навыки учащихся.

7. Овладение методикой решения всех типов задач, формирование научных  знаний.

8. Большое внимание уделять задачам вычислительного характера, в которых имеют место степени.

9. Решать задачи, отражающие достижения науки и техники, задачи технического и исторического содержания, которые несут в себе воспитательные функции.

10. Особое внимание уделять решению тех задач, которые достаточно часто встречаются на экзаменах в форме ЕГЭ.    

Содержание программы

     1. Механика(14ч).

Решение задач на определение характеристик механического движения, применение законов Ньютона, на применение законов сохранения импульса и энергии, формулы работы и мощности, элементов статики и гидростатики.

      2. Молекулярная физика(5ч).

Решение задач на применение газовых законов, основ термодинамики, уравнения теплового баланса, основ МКТ.

      3. Электродинамика(10ч).

Современное состояние разработки проблемы передачи

    изображения фотоэлектрическими устройствами. Основы теории p-n перехода и феноменологической 

    теории фотопроводимости p-n перехода. Основные характеристики элементов фотоэлектрических

      преобразователей и перспективы их применения в

      фотоэнергетике и криоэлектронике. Экспериментальные исследования элементов

      фотоэлектрических преобразователей изображения.

      Оценка влияния специального спектра примесей на

      свойства фотопроводимости фотодиодов

 4. Оптика(2ч).

 Решение задач на построение хода световых лучей,  на описание волновых  процессов, их характеристик, определение характеристик полученного изображения.

         5.  Физика атома и ядра(1ч).

6.  Решение и разбор КИМов(2ч).

Учебно-тематический план

 

Разделы программы	Количество часов
Механика.	14
1.Решение задач по теме «Кинематика».	4
2. Решение задач по теме « Динамика».	6
3. Решение задач по теме « Законы сохранения».	4
Молекулярная физика.	5
4. Решение задач по теме  «Молекулярно-кинетическая теория идеального газа».	2
5. Решение задач по теме  «Основы термодинамики»	2
6. Решение задач по теме « Жидкость и пар. Твердое тело».	1
Электродинамика.	10
7. Современное состояние разработки проблемы передачи изображения фотоэлектрическими устройствами	3
8. Основы теории p-n перехода и феноменологической теории фотопроводимости p-n перехода	3
9. Основные характеристики элементов фотоэлектрических преобразователей и перспективы их применения в фотоэнергетике и криоэлектронике	2
10. Экспериментальные исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения. Оценка влияния специального спектра примесей на свойства фотопроводимости фотодиодов	2
Оптика.	2
11. Решение задач по тем « Геометрическая оптика».	1
12. Решение задач по теме « Волновая оптика».	1
Физика атома и ядра.	1
13. Решение задач по теме «Физика атома и ядра».	1
Решение и разбор КИМов	2
Всего	34

 

Требования к уровню подготовки учащихся

Курс необходим учащимся в работе над объединением знаний, полученных на уроках физики, химии, биологии, вокруг основополагающих понятий этих наук, в «золотой фонд» естественнонаучного образования, которые помогут школьникам создать единый взгляд на мир.

  В процессе обучения по данной программе учащиеся приобретают следующие умения:

- анализировать законы сохранения и объяснять с их помощью различные явления природы,

- решать задачи межпредметного содержания с помощью законов сохранения,

- выдвигать гипотезы, доказывать или опровергать их правильность,

- делать выводы и аргументировать их,

-  самостоятельно работать с дополнительной литературой.

      Данный курс обладает  высоким воспитательным потенциалом, так как в нём отражена красота физических законов, обаяние науки. Не просто знания о природе, а глубокое проникновение в её тайны формирует отношение человека к миру, влияют на его нравственные качества, особенно в юношеском возрасте. Перечисленные выше умения формируются на основе знаний о применении в физике, химии, биологии законов сохранения массы вещества, энергии, электрического заряда, а так же принципа симметрии в природе. В процессе изучения курса учащиеся знакомятся с историей открытия данных законов, развитием взглядов на естественную картину мира, деятельностью многих учёных. Предполагается, что учитель будет широко использовать на уроках поэзию для  более эмоционального восприятия учащимися изучаемых законов.

 

 

 

 

 

 

Календарно-тематический план курса

«Аналитическое познание  физики»

 

 

Дата проведения	№ урока		Тема урока	Всего часов	Примечания
I План/ Факт                                       Кинематика механического движения				4
		1	Механическое движение, его характеристики, относительность движения; виды движения, средняя скорость. Решение задач.	1
		2	Равномерное движение: уравнение движения, графики	1
		3	Равнопеременное движение: уравнение движения, графики. Решение задач.	1
		4	Равномерное движение тела по окружности.	1
II                                                               Динамика механического движения				6
		5	Законы Ньютона, виды сил, сила, масса.	1
		6	Движение тела по горизонтали и вертикали.	1
		7	Движение тела по наклонной плоскости.	1
		8	Движение связанных тел. Решение задач.	1
		9	Элементы статики. Решение задач.	1
		10	Элементы гидростатики. Решение задач.	1
III                                                           Законы сохранения в механике				4
		11	Импульс силы, импульс тела, закон сохранения импульса тела. Решение задач.	1
		12	Работа и мощность, простые механизмы.	1
		13	Механическая энергия и ее виды, закон сохранения механической энергии.	1
		14	Решение задач на законы сохранения энергии и импульса.	1
I V                                                                    Молекулярная физика				5
	15-16		Основы МКТ, идеальный газ, газовые законы, уравнение состояния. Решение задач.	2
	17-18		Основы термодинамики, тепловые двигатели. Решение задач.	2
	19		Агрегатные состояния вещества, фазовые переходы, уравнение теплового баланса.	1
			V Электростатика	3
	20-21		Взаимодействие зарядов, электрическое поле и его характеристики.	2
	22		Электроемкость, конденсаторы. Решение задач.	1
VI                                                                         Постоянный ток				3
	23-24		Постоянный ток, сила тока, сопротивление, закон Ома для участка цепи и для полной цепи, виды соединений.	2
	25		Электрический ток в различных средах.	1
VII                                                                  Электромагнетизм				4
	26		Современное состояние разработки проблемы передачи изображения фотоэлектрическими устройствами	1
	27		Основы теории p-n перехода и феноменологической теории фотопроводимости p-n перехода	1
	28		Основные характеристики элементов фотоэлектрических  преобразователей и перспективы их применения в фотоэнергетике и криоэлектронике	1
	29		Экспериментальные исследования элементов фотоэлектрических преобразователей изображения. Оценка влияния специального спектра примесей на свойства фотопроводимости фотодиодов	1
VIII                                                                   Оптика				2
	30		Геометрическая оптика. Решение задач.	1
	31		Волновая оптика. Решение задач.	1
	32		Физика атома и ядра. Решение задач.	1
	33-34		Решение и разбор КИМов.	2