ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА p–n-ПЕРЕХОДА

Воздействие света на p–n-переход

Зонная диаграмма освещенного p–n-перехода с “толстой” базой l > Ln, где l – толщина базы, а Ln – средняя длина диффузии электронов в базе, приведена на рис. 7.

В невырожденных легированных полупроводниках концентрации основных носителей nn и pp (электронов в n-области и дырок в р-области) велики по сравнению с концентрацией собственных носителей ni и pi: nn >> ni и pp >> pi. На границе раздела р- и n-областей образуется слой, обедненный основными носителями заряда, который называется р–n-переходом. Между р- и n-областями возникает электрическое поле Е и контактная разность потенциалов φ0, созданные неcкомпенсированными зарядами донорных и акцепторных примесей в обедненном слое. Потенциал n-области положителен по отношению к р-области (в обедненном слое).


Через р–n-переход происходит диффузия основных носителей заряда (электронов из области n- в область р-полупроводника и дырок из области р- в область n-полупроводника) и дрейф неосновных носителей (электронов из р- в n-область и дырок из n- в р-область). Таким образом, через р–n-переход протекают четыре тока: два диффузионных (InD и IpD) и два дрейфовых (InE и IpE). В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: каждая из компонент тока (и электронная In = InD–InЕ = 0 и дырочная Ip = IpD–IpЕ = 0) равны нулю и общий ток I = In+Ip равен нулю.

При поглощении квантов света в p–n-переходе и в прилегающих к нему областях полупроводника, образуются новые носители заряда – пары электрон-дырка. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p–n-переходу областях, не превышающих средней диффузионной длины Ln для электронов и Lр для дырок, диффундируют к p–n-переходу и проходят через него под действием электрического поля Е. При этом возрастает дрейфовый ток через р–n-переход на величину Iф. Величина фототока Iф пропорциональна числу квантов света, поглощенных в слое L = Ln+d+Lр (рис. 7):

Iф = qχβkSLN = qχβkSLФλ/hν = KλФλ,  (2.1)

где β – квантовый выход, k – коэффициент поглощения света, χ – коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинировавших носителей заряда от общего количества носителей, возникших под действием света, S – площадь p–n-перехода.

Таким образом, освещение полупроводника приводит к нарушению термодинамического равновесия. Возникший в результате световой генерации пар электрон-дырка фототок приводит к накоплению основных носителей заряда в n- и р-областях полупроводника, между которыми возникает дополнительная (к контактной φ0) разность потенциалов (фото-ЭДС) φф, что понижает общую разность потенциалов p–n-перехода φ = φ0–φф и уменьшает величину потенциального барьера qφ =q(φ0–φф) для основных носителей. Вследствие этого возрастает дрейфовый ток основных носителей InDф и IpDф (рис. 6, точечные пунктиры).

В стационарном состоянии потоки зарядов через p–n-переход в обоих направлениях уравновешивают друг друга

–Iф–InE–IpE+InDф+IpDф = 0. (2.2)

Между р- и n- областями полупроводника устанавливается разность потенциалов – фото ЭДС φф.

Фотодиоды

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом называется фотодиодом.

Структурная схема фотодиода и его изображение на принципиальных схемах приведены на рис. 8.


Вольтамперная характеристика p–n-перехода (рис. 9) может быть записана в виде:

. (2.3)

При обратном смещении p–n-перехода резко возрастает потенциальный барьер для основных носителей заряда и ток через переход определяется потоком неосновных носителей, которые проходят через него под действием электрического поля Е. Темновой обратный ток через фотодиод равен Is; при освещении обратный ток возрастает на величину Iф за счет появления добавочных неосновных носителей заряда

Iобр = Is+Iф. (2.4)


Величина обратного тока почти не зависит от приложенного напряжения. Световая характеристика фотодиода Iобр = f(Е) является линейной в широком диапазоне изменения освещенности Е. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода существенно меньше средней длины диффузии неосновных носителей заряда l < Ln (фотодиод с “тонкой” базой). Поэтому практически все возникшие в базе в результате световой генерации, неосновные носители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока.

При прямом смещении p–n-перехода понижается потенциальный барьер и через p–n-переход начинает протекать ток, созданный диффузией основных носителей заряда. При напряжении U = φф диффузионный ток полностью компенсирует дрейфовый ток и результирующий ток через переход равен нулю (2.2).

При U > φф прямой ток быстро возрастает и вольтамперные характеристики освещенного и затемненного фотодиодов практически совпадают.

В большинстве применений фотодиоды используют в режиме обратного смещения p–n-перехода (рис. 10). Если световой поток модулирован, то на сопротивлении нагрузки Rн появляется напряжение сигнала, пропорциональное изменениям светового потока.

Одним из основных параметров фотодиода является интегральная чувствительность

Кф = Iф/Ф. (2.5)

Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их малая инерционность. Инерционность диффузионных диодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей заряда через базу и имеет порядок десятков наносекунд.

Спектральная характеристика фотодиодов (рис. 3) при больших длинах волн ограничивается шириной запрещенной зоны λпорог = hc/ΔW. В области малых длин волн – большим показателем поглощения и увеличением скорости поверхностной рекомбинации с уменьшением длины волны.

Фотодиоды находят широкое применение в измерительной технике (фотометрия), автоматике, устройствах сигнализации, волоконно-оптических линиях связи, вычислительной технике (фотосчитывающие устройства CD, сканеры), и т.д. Перспективным направлением является изготовление фотодиодов на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник или гетероперехода. Это позволяет повысить их быстродействие, увеличить чувствительность и получить более широкую спектральную характеристику.

Полупроводниковые фотоэлементы

В полупроводниковом фотоэлементе с p–n-переходом происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую. Структура кремниевого фотоэлемента приведена на рис. 11. Он представляет собой плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n+-типа. Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или рамки на нижней поверхности фотоэлемента, оставив всю верхнюю поверхность кристалла открытой для освещения.

Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода (рис. 9). Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении) соответствуют фотодиодному режиму работы p–n-перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадранте – режиму генерации фото-ЭДС.


Фотоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по цепи потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям токов короткого замыкания (Rн = 0). Из уравнения (2.3) при U = 0 и уравнения (2.5) получим

Iкз = –Iф = –Kинт Ф. (2.6)

Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента Iкз = –KλЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания Iкз/S = 20÷25 мА/см2 = 200÷250 А/м2 при средней освещенности солнечным светом.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при Rн = ∞) соответствуют значениям фото-ЭДС φ0 или напряжениям холостого хода Uхх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно найти напряжение холостого хода:

. (2.7)

где Is = InE+IpE – обратный ток p–n-перехода.

Формула (2.7) справедлива, пока концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ0.

У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади p–n-перехода фотоэлемента.

По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки Rн опт, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная мощность Рmax. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат I = ‑U/Rн (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение Uн и ток нагрузки Iн. Мощность выделяемая в нагрузке Pн = Uн∙|Iн|.

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке Uн = 0.35÷0.4 В и J = 15÷20 мА/см2. Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт.

Световые характеристики фотоэлемента рис. 14 показывают зависимость напряжения холостого хода Uхх = φф и тока короткого замыкания Iкз = Iф от освещенности, создаваемой лампой накаливания с температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: Uхх = f(E) и Iкз = f(E). Зависимость Iкз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму освещенности (рис. 14, штриховая линия).

Отношение Кинт = Iкз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света Iкз = f(λ) при Е = const. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов (рис. 3) почти совпадает с максимумом спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента η = Рmax/Рф, где Рф – мощность светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Теоретический предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%.

Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон – дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем в p–n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода.

БИПОЛЯРНЫЙ ФОТОТРАНЗИСТОР

Биполярный фототранзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером (рис. 15). В этом фототранзисторе нет базового электрода. Падающий свет облучает область базы. При этом в базе происходит процесс световой генерации пар электрон – дырка, как показано на зонной диаграмме (рис. 16). Дырки в базе оказываются сосредоточенными в потенциальной яме и не могут покинуть базу. Накопившийся дырочный заряд понижает потенциальный барьер перехода база-эмиттер и электроны из эмиттера инжектируются в базу, где являются неосновными носителями. Электроны диффундируют через область базы и втягиваются электрическим полем обратносмещенного коллекторного перехода. Попав в область коллектора электроны становятся основными носителями и создают ток во внешней цепи. Таким образом, базовым током фототранзистора является фототок Iф, который приводит к появлению электронной составляющей коллекторного тока Iк = βIф, где β – коэффициент усиления базового тока транзистора. Дырочная составляющая коллекторного тока Iко мала и на зонной диаграмме не показана.

Поскольку в фототранзисторе происходит усиление фототока, то его интегральная чувствительность Kинт = βIф/Ф в β раз больше интегральной чувствительности фотодиода.


Недостатком фототранзистора без базового электрода является сильная температурная зависимость коллекторного тока, так как дырочный заряд в базе накапливается не только в результате световой, но и тепловой генерации пар электрон – дырка. И “тепловую” дырку нельзя отделить от “световой”. Для температурной стабилизации изготавливают транзистор с электрическим выводом базы и используют схему температурной стабилизации, но в этом фоточувствительность транзистора падает.