Материал: Фотопроводимость твердых тел. Фотоэлектрические эффекты

(19)

или для общей концентрации носителей заряда:

.(20)

Следовательно, прекращение действия электромагнитного излучения приводит к уменьшению концентрации носителей заряда, которая стремится к своему исходному значению. По закону аналогичному уравнению (19) будет происходить спад фототока полупроводника (рисунок 6):

,(21)

где  - стационарное значение фототока. Из уравнения (21) видно, что чем больше время жизни неравновесных носителей заряда, тем медленнее происходит спад фототока.

На рисунке 6 представлена кривая релаксации фототока полупроводника и основные ее характеристики. Данную зависимость используют для экспериментального определения среднего времени жизни неравновесных носителей заряда.

фотоэлектрический оптический вентильный полупроводник

2.3 Фотовольтаические эффекты

Под фотовольтаическими (фотогальваническими) эффектами понимают возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) в полупроводнике в результате пространственного разделения оптически возбужденных носителей заряда противоположного знака. Для возникновения фотоЭДС необходимо выполнение следующих условий:

а) электромагнитное излучение должно быть неоднородным, т.е. в различных элементах объема полупроводника должно поглощаться различное количество фотонов и соответственно появляется различное количество фотоносителей. Наличие градиента концентрации фотоносителей вызывает диффузию и возникновение фотоЭДС при условии, что коэффициенты диффузия дырок и электронов отличаются друг от друга;

б) освещаемый полупроводник должен быть неоднородным, в этом случае распределение концентрации фотоносителей по объему полупроводника будет неравномерным и вследствие этого возникает фотоЭДС.

2.3.1 Эффект Дембера

Если на поверхности полупроводника падает электромагнитное излучение (свет), энергия квантов которого достаточна для генерации фотоносителей, при этом коэффициент поглощения достаточно велик, то электромагнитное излучение будет поглощаться в основном в приповерхностном слое полупроводника, где и будут создаваться фотоносители. Данное явление относится к случаю неоднородного освещения полупроводника. Электроны и дырки будут диффундировать в область с меньшей концентрацией носителей заряда, которая характеризуется минимальной освещенностью. В результате возникает фотоЭДС, пропорциональная разности коэффициентов диффузии носителей заряда противоположного знака. В состоянии термодинамического равновесия фотоЭДС компенсирует разность коэффициентов диффузии электронов и дырок.

Выражение для фотоЭДС Дембера имеет вид:

,(22)

где  - удельная электропроводность полупроводника в непосредственной близости от поверхности, т.е. сумма темновой электропроводности и фотопроводимости:

. (23)

Следует, что фотоЭДС Дембера тем больше, чем больше разность подвижностей электронов и дырок. Данное уравнение может быть применимо к примесной фотопроводимости. Эффект Дембера в определенной степени аналогичен явлению термоЭДС.

2.3.2 Вентильный фотоэффект

Вентильным фотоэффектом называют фотоЭДС, возникающую при освещении вентильного, т.е. выпрямляющего контакта. Выпрямляющими свойствами обладают контакты полупроводников различного типа электропроводности, металла с полупроводником. Полупроводниковые приборы, основанные на вентильном фотоэффекте и предназначенные для превращения световой энергии в электрическую или световых сигналов в электрические, называют фотоэлементами. Рассмотрим образование вентильной фотоЭДС при освещении с p-n-перехода.

Пусть n-p-переход освещается светом со стороны полупроводника р-типа электропроводности с энергией квантов больше энергии запрещенной зоны, что соответствует образованию электронно-дырочных пар. На рисунке 7 показан процесс генерации под действием квантов света носителей заряда в р-области р-п-перехода с последующей их диффузией.

Генерируемые носители заряда будут диффундировать к р-п-переходу. Электроны зоны проводимости полупроводника р-типа электропроводности под действием контактного поля переходят в зону проводимости полупроводника n-типа, при этом дырки задерживаются контактным полем и остаются в p-области. В результате происходит пространственное разделение оптически генерированных электронов и дырок, при этом акцепторный полупроводник приобретает положительный, а донорный - отрицательный заряд, что эквивалентно возникновению фотоЭДС . Последняя называется напряжением холостого хода при разомкнутой внешней цепи.

Таким образом, под действием квантов света через p-n-переход протекает  фототок, который создает на n-p-переходе разность потенциалов в пропускном направлении, уменьшающую на свою величину контактную разность потенциалов, и как вследствие этого через р-п-переход потечет ток , называемый током утечки, в обратном направлении:

,(24)

где  - ток насыщения, обусловленный тепловой генерацией носителей заряда. Состояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве тока утечки и фототока, протекающих через р-п-переход

.(25)

Выразим из этого уравнения напряжение холостого хода:

.(26)

При подключении к фотоэлементу на основе р-п-перехода внешней нагрузки , рисунок 8, фотоЭДС в р-п-переходе создается только частью носителей заряда, а другая часть носителей заряда обеспечивает ток через нагрузку.

Напряжение на нагрузке равно:

.(27)

Вольт-амперная характеристика вентильного фотоэлемента описывается уравнением вида:

.(28)

На рисунке 9 представлено семейство вольт-амперных характеристик р-п-перехода для различных значений светового потока.

Видно, что увеличение светового потока приводит к росту фототока.

Р-п-переход, смещенный в обратном направлении посредством внешнего источника питания, также может работать в фотодиодном режиме. При поглощении квантов света в р-п-переходе или в прилегающих к нему областях полупроводников образуются неравновесные электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда, образующиеся в р-п-переходе или прилегающих к нему областям, находящихся на расстоянии не превышающим диффузионной длины, диффундируют к р-п-переходу и проходят через него под действием электрического поля, рисунок 10. В результате под действием электромагнитного излучения обратный ток через р-п-переход возрастает на величину фототока.

Преимуществами фотодиодного режима являются высокая чувствительность и малая инерционность порядка 10^-9 с, при этом вентильный режим характеризуется низким уровнем шумов и отсутствием источника питания.

На рисунке 11 приведена электрическая схема для исследования фото-ЭДС р-п-перехода, работающего в фотодиодном режиме. Напряжение источника питания приложено в обратном направлении к р-п-переходу.

В фотодиодном режиме уравнение вольт-амперной характеристики р-п-перехода имеет вид:

.(31)

Задавая напряжение источника питания достаточно большим, можно сделать темновой ток фотодиода равным току насыщения. На фототок величина  почти не влияет и даже несколько его увеличивает, т.к. увеличивается тянущее поле и уменьшается, таким образом, потери на рекомбинацию. В этом и состоит большое преимущество фотодиодов перед фоторезисторами.

Список литературы

1.      Шалимова К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 392 с.

.        Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М.: Высш. шк., 1985. - 370 с.

.        Епифанов Г.И. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА / Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома. - М.: Сов. радио, 1979. - 352 с.

.        Пасынков В.В. Материалы электронной техники / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - М.: Высш. шк., 2003. - 368 с.

.        Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. - М.: Мир, 1984. - Т. 2. - 455 с.

.        Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел / Р. Бьюб. - М.: Иностранная литература, 1962. - 558 с.

.        Верещагин И.К. Введение в оптоэлектронику / И.К. Верещагин, Л.А. Косяченко, С.М. Кокин. - М.: Высш. шк., 1991. - 191 с.