Материал: Физические основы электроники

ные электроны только пополнят количество основных носителей в области n , увеличив их концентрацию.

Таким образом, за счет поглощенной световой энергии в полупроводнике образуются пары носителей; неосновные носители перебрасываются в соседнюю область электрическим полем p–n-перехода, а основные носители остаются в своей области; концентрация носителей возрастает и становится сверхравновесной, т. е. суммарный электрический заряд основных носителей в обеих областях полупроводника уже не уравновешивается противоположным зарядом ионов примеси и, следовательно, в области p появляется суммарный положительный заряд, а в

области К lg N – суммарный отрицательный заряд, которые обусловят возникновение разности потенциалов между областью p и областью n .

Эту разность потенциалов называют фотоЭДС. Если теперь создать внешнюю электрическую цепь между областями p и n , то по ней поте-

чет электрический ток – фототок под действием возникшей фотоЭДС. Следует отметить, что из всех образовавшихся в результате погло-

щения лучистой энергии носителей не все будут участвовать в образовании светового тока, а только те, которые попадают в зону действия электрического поля потенциального барьера, ограниченную (рис. 6.15) областью . Остальные неосновные носители, образовавшиеся вне этой зоны, скорее всего, рекомбинируют, снижая эффективность использования световой энергии. Отсюда становится ясной целесообразность конструктивного исполнения фотодиода, когда освещают не обе области полупроводника, а только одну, зато очень тонкую, когда практически все образовавшиеся под действием освещения неосновные носители будут разделены р–n-переходом.

Основные характеристики фотодиодов:

1. Вольт-амперная характеристика IФ f U Ф const . Это зави-

симость фототока IФ от напряжения на фотодиоде при неизменном све-

товом потоке.

Вольт-амперная характеристика описывается следующим уравнением:

где U н – напряжение между анодом и катодом фотодиода. В случае фотогальванического включения – это напряжение на нагрузке;

191

Iсв – световой ток – суммарный поток носителей электрического заря-

да, образовавшихся вследствие внутреннего фотоэффекта и разделенных полем p–n-перехода; Iн – ток нагрузки (в случае фотогальваниче-

ского включения); Iтемн – темновой ток – суммарный поток носителей электрических зарядов, пересекающих границу раздела при отсутствии

освещения; k – постоянная Больцмана, k 1,38 10 23 градДж ; q – заряд электрона, q 1,6 10 19 Кл; T – абсолютная температура.

Вид вольт-амперной характеристики показан на рис. 6.16. При Ф 0 вольтамперная характеристика фотодиода превращается в вольтамперную характеристику обычного p–n-перехода, достаточно подробно изученную ранее.

Рис. 6.16. Вольт-амперная характеристика фотодиода

При наличии освещения ток нагрузки, как видно из рисунка, потечет по внешней цепи от области p к области n , а внутри кристалла – от обла-

сти n к области p , т. е. в направлении, которое для обыкновенного диода

является обратным и откладывается вниз от нуля по оси ординат; напряжение на фотодиоде – ( ) на области p , (–) – на области n является пря-

мым для обыкновенного диода и поэтому откладывается вправо от нуля на оси абсцисс. Фактически вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой вольт-амперную характеристику обычного p–n-перехода, смещенную вниз и вправо в зависимости от светового потока Ф.

Точки пересечения характеристики с осями координат представляют собой напряжение холостого хода Uхх (или фотоЭДС) на оси абс-

цисс и ток короткого замыкания Iкз на оси ординат.

192

Участок характеристики за точкой Uхх представляет собой режим,

когда фотодиод работает с внешним источником ЭДС, включенным встречно по отношению к фотодиоду.

Участок за точкой Iкз характеризует работу фотодиода с внешним

источником ЭДС, включенным согласно по отношению к фотодиоду. Это и есть фотодиодное включение, которое будет рассматриваться ниже.

2. Световая характеристика фотодиода Iсв f Ф , или

E f Ф , представлена на рис. 6.17.

Как следует из выражения (6.4), напряжение на фотодиоде (в режиме холостого хода фотоЭДС E ) изменяется по логарифмическому закону при возрастании светового потока Ф, а световой ток Iсв прямо пропор-

ционально зависит от светового потока Ф. Поэтому при увеличении светового потока Ф характеристики смещаются неодинаково по оси абсцисс и по оси ординат. Так, по оси ординат, где откладывается световой ток, характеристики смещаются равномерно при изменении светового потока. По оси абсцисс, где откладывается U хх E , эти характеристики

смещаются не линейно, а в соответствии с кривой E f Ф .

ЕФ

R1

R2 R3

Ф

Рис. 6.17. Световая характеристика фотодиода

3. Спектральная характеристика – это зависимость S* f λ , где

S * – относительная мощность фотодиода; λ – длина волны электромагнитного излучения. Вид этой характеристики представлен на рис. 6.18.

Зависимость 1 представляет собой относительную мощность солнечного излучения. Другие две зависимости показывают относительную мощность фотодиодов, выполненных на основе кремния и германия. Очевидно, что в области видимой части спектра солнечного излучения наибольшую относительную мощность имеет фотодиод на основе кремния. Именно из кремния делают чаще всего фотодиоды, работающие в этой области длин волн.

193

S

0,9

Si Ge

0,7

0,5 1

0,3

0,1

Рис. 6.18. Спектральные характеристики

Фотодиодное включение представлено на рис. 6.19.

В данном случае фотодиод работает с внешним источником U , который по отношению к затененному фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и, следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС EФ , которая по отношению к источнику Е включена по-

следовательно и согласно, и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф. Этот режим иллюстрируется отрезками вольт-амперной характеристики фотодиода в третьем квадранте (рис. 6.16). Однако в справочной литературе эти характеристики приводятся чаще в первом квадранте (рис. 6.20) для удобства использования.

Основными параметрами фотодиодов являются:

1)чувствительность K IФсв ;

2)рабочее напряжение Uраб;

194

В настоящее время важное значение имеют полупроводниковые фотоэлементы, используемые в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. Из таких элементов создают солнечные батареи, которые обладают сравнительно высоким КПД (до 20 %) и могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи являются основными источниками питания искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических метеостанций и др. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

6.2.3. Фототранзисторы

Фототранзистор – это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p–n-переходами. Устройство и принцип действия фототранзистора такие же, как и биполярного транзистора. Отличие же заключается втом, что внешняя часть базы является фоточувствительной поверхностью, а в корпусе имеется окно для пропускания света (рис. 6.21). Иногда фототранзисторимееттолькодвавывода: эмиттерныйиколлекторный.

Рис. 6.21. Конструкции фототранзисторов (а); структура (б) и условное графическое обозначение фототранзистора (в)

Принцип действия фототранзистора заключается в следующем. В затемненном состоянии и при отсутствии входного сигнала на базе транзистор закрыт и в его коллекторной цепи протекает небольшой обратный ток коллекторного перехода. При освещении базовой области лучами света там происходит возникновение пар «электрон–дырка».

Неосновные носители (в нашем случае дырки) подхватываются полем коллекторного перехода и перебрасываются в область коллектора, а в базе остается нескомпенсированный заряд электронов – основных носителей, который приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода и к инжекции дырок из эмиттера в базу. Это приведет

195