Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АрхитектураБиологияГеографияДругоеИностранные языки
ИнформатикаИсторияКультураЛитератураМатематика
МедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогика
ПолитикаПравоПрограммированиеПсихологияРелигия
СоциологияСпортСтроительствоФизикаФилософия
ФинансыХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника

Фотоэффект в р-п-переходе

Читайте также:
  1. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта
  2. Использование фотоэффекта
  3. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света
  4. Фотоэффект. Уравнение фотоэффекта. Решение задач.
  5. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами.

Приведено описание новой лабораторной работы, предлагаемой студентам, изучающим общий курс физики. Работа посвящена фотогальваническому эффекту – явлению, широко применяющемуся в технике и наглядно объясняемому в рамках квантовой теории света и зонной теории твердого тела.

При контакте двух полупроводников с разным типом проводимости образуется область, обедненная носителями тока, так называемый р-п-переход. Если р-п- переход не освещен, то между полупроводниками возникает контактное электрическое поле, направленное от п- полупроводника к р- полупроводнику. На границе р- и п- области образуется потенциальный барьер, который препятствует движению основных носителей – электронов из п- области в р- область и дырок в противоположном направлении. Неосновные носители (дырки в п- области и электроны в р- области) могут быть увлечены полем р-п- перехода, образуя тем самым ток неосновных носителей.

При подаче на р-п -переход обратного напряжения, увеличивающего высоту барьера, этот ток даже может увеличиться, но быстро достигает насыщения, так как ограничен низкой концентрацией неосновных носителей.

При освещении р-п- перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, увеличивается концентрация как основных, так и неосновных носителей. На рис. 1 изображена зонная структура полупроводников по обе стороны от р-п­- перехода. Электронно-дырочные пары, находящиеся от р-п- перехода на расстоянии, меньшем длины свободного пробега, могут достигнуть области контакта.

Потенциальный барьер будет способствовать переходу электрона из р- области в п -область. Соответственно, если излучение поглощается в п- области, то через р-п- переход пойдут дырки. Если же излучение поглощается в области потенциального барьера, то электроны переносятся полем в п- область, а дырки – в р -область. Электрическое поле р-п- перехода разделяет избыточные носители тока. Поскольку из обеих областей уходят только неосновные носители, то можно считать, что генерируемые светом носители заряда увеличивают обратный ток р-п -перехода, так как именно он образуется за счет неосновных носителей.

В результате вольтамперная характеристика (ВАХ) освещенного р-п- перехода сместится на величину фототока:

 

, (1)

где – фототок, создаваемый возбужденными светом носителями.

Для оценки фототока рассмотрим простейший случай. Будем считать, что излучение поглощается в п- области, а интенсивность света постоянна. При обратном смещении процесс переноса генерированных светом носителей ничем не отличается от переноса носителей, образовавшихся в результате тепловой генерации. И для определения фототока можно воспользоваться формулой для обратного тока р-п- перехода:

, (2)

где – количество зарядов, образующихся за время ,

т.е. – это скорость образования свободных носителей заряда;

– толщина слоя базы, в котором носители образуются;

е – здесь и далее заряд электрона.

По аналогии с (2) фототок может быть записан в виде

, (3)

где – концентрация генерируемых светом носителей

за время ;

W – толщина базы (для случая ).

Величина пропорциональна интенсивности света Ф и квантовому выходу :

. (4)

Квантовый выход в данном случае – это число электронно-дырочных пар, образованных одним квантом света. Подставляя в (3), получим

, (5)

где – безразмерный коэффициент, зависящий от конструктивного оформления р-п- перехода. Результат (5) действителен и для случая, когда интенсивность света уменьшается вглубь базы по экспоненциальному закону.


Возникновение ЭДС при освещении контакта двух полупроводников с разным типом проводимости называется фотогальваническим эффектом. Возникновение фото-ЭДС объясняется тем, что поле р-п- перехода, даже в отсутствие внешнего напряжения, производит разделение электронно-дырочных пар, генерируемых падающим светом. Так, если в р- слое фотоэлемента (рис. 2) за счет внутреннего фотоэффекта образуются электроны, то они под действием поля р-п- перехода переходят в п- слой. Дырки остаются в р- слое, и между п и р областями возникает фото-ЭДС. А при замыкании цепи по ней пойдет ток.

 

Рис. 2. Устройство фотодиода.

 

Фотоэлемент, в котором фотоэффект в р-п- переходе используется в токовом режиме, называется фотодиодом. Фотодиод может быть использован в качестве фотоприемника, ток которого пропорционален освещенности. Фотодиоды характеризуются теми же параметрами, что и фоторезисторы. Темновое сопротивление у них значительно больше, чем у фоторезисторов, соответственно отношение темнового сопротивления к сопротивлению освещенного фотодиода больше, чем у фоторезистора.

Пороговая чувствительность фотодиода определяется минимальным световым сигналом, вызывающим в цепи диода изменения тока, различимые на фоне собственных шумов. Если интегральную чувствительность можно сравнить с коэффициентом усиления, то пороговая чувствительность будет аналогична коэффициенту шумов. Темновой ток составляет 10-20 мкА для германиевых и 1-2 мкА для кремниевых фотодиодов.

Интегральная чувствительность фотодиодов порядка нескольких десятков . Фотодиоды имеют меньшую чувствительность, чем фоторезисторы из-за того, что у них квантовый выход не может быть больше единицы, как у фоторезисторов. Но зато они имеют другие преимущества, главное из которых меньшая инерционность.

Инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу , временем их пролета через область объемного заряда р-п- перехода и постоянной . Время пролета носителей через область объемного заряда можно оценить как можно оценить как . В германии и кремнии , d обычно меньше 5 мкм и . и зависят от конструктивных особенностей фотодиодов. В сплавных германиевых фотодиодах толщина базы 20-30 мкм и . При малых сопротивлениях нагрузки и инерционность определяется временем диффузии. В диффузионных фотодиодах можно понизить до с за счет уменьшения толщины базы. Но при этом возрастает . Для сравнения инерционность фоторезисторов составляет .

Освещенный р-п- переход можно использовать и в режиме генерации фото-ЭДС. Солнечная батарея представляет собой последовательно-параллельное соединение отдельных кремниевых фотоэлементов, вмонтированных в корпус для защиты от влаги, пыли и ударов. КПД любого преобразователя одного вида энергии в другой называют отношение полученной («полезной») энергии к затраченной. Для солнечной батареи это отношение мощности электрического тока в цепи (мощность в нагрузке) к мощности светового излучения, падающего на батарею:

, (6)

где (i – сила тока в сопротивлении нагрузки, u – напряжение

на нагрузке);

, (7)

где Ф – полный световой поток в ваттах;

S – площадь рабочей поверхности солнечной батареи;

r – расстояние от источника света до батареи.

Фотогальванические элементы, преобразующие солнечную (световую) энергию в электрическую, широко применяются в качестве источников бортового питания космических аппаратов. Их КПД достигает 20 %, а мощность 100 .

 

 


Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 111 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
День Победы советского народа в Великой Отечественной войне 1941 - 1945 годов (1945 год)| ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.009 сек.)