ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

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.

На главную страницу сайта