Фотоэффект в р-п-переходе

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