8.3 Фотоелектричні явища в р-п-переході

При освітленні р-n-переходу або прилеглої до нього області світлом, здатним викликати генерацію електронно-діркових пар, на контактах розімкненого переходу виникає е.р.с., названа фотоерс, а якщо контакти замкнуті, то через перехід протікає струм , названий первинним фотострумом. Цей ефект називають фотогальванічним ефектом або вентильним фотоефектом. Розглянемо його фізичну природу.

На рис. 8.9, а показаний діод, р-область якого освітлюється світловим потоком потужністю , що викликає генерацію в цій області електронно-діркових пар. Число таких пар , що щомиті з'являються в р-області, визначається співвідношенням (8.13). Оскільки поглинання відбувається в власній області, то світло поглинається вже у вузькому шарі біля поверхні, від якої носії дифундують сумісно углиб напівпровідника. Якщо р-n-перехід розташований на глибині w=L, де –дифузійна довжина, то значна частина носіїв дійде до області об'ємного заряду переходу. Електрони, що підійшли до р-n-переходу, підхоплюються контактним полем e_k, направленим від n- до р-області, і перекидаються в n-область, заряджаючи її негативно (рис.8.9,б).

Рисунок 8.9 – Фотоприймач з р-n-переходом: а – діод, р-область якого опромінюється світлом; б – зонна діаграма р-n-переходу діода, що показує виникнення фотоерс; в – вольт-амперна характеристика освітленого р-n-переходу при різних потужностях світлового потоку

Обумовлений ними первинний фотострум буде рівний

               (8.20)

де – коефіцієнт збирання, рівний відносній частці нерівноважних носіїв, що доходять до р-n-переходу і не рекомбінують. Дірки, що підійшли до р-n-переходу, нездатні подолати потенціальний бар'єр і залишаються в р-області, заряджаючи її позитивно. Внаслідок цього на переході формується прямий зсув , що викликає зниження потенціального бар'єра до величини і появи потоку основних носіїв. Якщо зовнішнє коло розімкнене, то збільшуватиметься до тих пір, поки струм основних носіїв через р-n-перехід не зрівняється з фотострумом І_ф. Виникаюча при цьому різниця потенціалів V_ф і буде фотоерс (рис.8.9, б).

Таким чином, в сталому стані через розімкнений р-n-перехід протікає в прямому напрямі струм основних носіїв і назустріч йому зворотний струм – і фотострум – . Повний струм через р-n-перехід рівний нулю:

     (8.21)

З цього співвідношення легко визначити фотоерс:

V_ф ln[+1].     (8.22)

При ввімкненні р-n-переходу на опір навантаження , тільки частина носіїв, збуджених світлом, перекидається через р-n-перехід і назад, викликаючи зниження його потенціального бар'єра , тобто створення різниці потенціалів V_фн у переході; інша ж їх частина створює струм , протікаючий по зовнішньому колу. В цьому випадку співвідношення (8.21) необхідно переписати таким чином:

               .     (8.23)

З цього співвідношення легко визначити _фн:

V_фн ln[+1]. (8.24)

При короткому замиканні р-n-переходу практично всі носії, що генеруються світлом, надходять в зовнішнє коло, внаслідок чого V_фн= 0, а струм в колі, як випливає з (8.23), І І_ф.

При поданні на освітлений р-n-перехід зовнішнього зсуву V через нього протікатиме темновий струм , як через звичайний діод, що знаходиться під зсувом, і первинний фотострум – , залежний від потужності світлового потоку . Сумарний струм через перехід

               .     (8.25)

ВАХ освітленого р-n-переходу показані на рис. 8.9, в. Вони (ВАХ освітленого р-n-переходу) виходять зсувом неосвітленого діода вниз по осі струмів на величину .

Розподіл напруги джерела зсуву між опором навантаження і діодом можна визначити підставивши у вираз (8.25) замість величину – і вирішивши одержане таким чином рівняння відносно або графічно за допомогою прямої навантаження (рис. 8.9, в).

Зміна сили струму в зовнішньому колі або напруги на опорі навантаження при освітленні р-n-переходу використовується для реєстрації і вимірювання потужності світлового випромінювання. Прилади, що використовують цей принцип, відіграють роль фотоприймачів.

Режим роботи діода, при якому на нього подається негативний зсув і він залишається негативним і при освітленні діода, називають фотодіодним. Якщо ж фотоприймач використовується без зовнішнього зсуву, то говорять про його роботу в режимі фотоелемента. Деякі р-n-переходи не можуть працювати при будь-якому істотному зворотному зсуві і використовуються тільки як фотоелементи (селенові, переходи на вузькозонних напівпровідниках і ін.).