2. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении.

На рисунке приведён пример зонной диаграммы оптопары.

 

 

Вертикальная линия – металлургическая граница. По обе стороны от границы различные материалы. Характерной особенностью зонной диаграммы является наличие скачков E_c и E_v на металлургической границе перехода. Пример дан для p-n перехода. При другом выборе легирования компонентов возможен изгиб зон в разные стороны. Пример будет дан ниже.

На приведенном рисунке уровень Ферми постоянен: Е_F = const. Система находится в равновесии. Ток не течет.

Ф_к - разность работ выхода (контактная разность потенциалов).

Благодаря ненулевой контактной разности потенциалов образуется обедненная зона. Изменению концентрации р и  n отвечает изгиб Е_c и Е_v

На линии Е_с и Еv образуются скачки DЕ_с и DЕ_v, отвечающие скачку концентрации носителей заряда.

W₁ и W₂ – ширина обедненных зон.

c₁ и c₂ – сродство к электрону (электронное сродство, electron affinity - способность присоединить электрон). Сродство количественно измеряется энергией, которую нужно затратить, чтобы перевести электрон с уровня Е_c на вакуумный уровень.

Подчеркнем, что особенностью зонной диаграммы оптопары является наличие скачков Е_c и Е_v на границе гетероперехода.

На рисунке приведена зонная диаграмма оптопары при положительном внешнем смещении, когда переход открыт и через него течёт ток.

Область сверхинжекции

Оптопара с положительным внешним смещении

 

Через переход течет ток. Система неравновесна. Стационарный уровень Ферми не существует. Концентрацию носителей заряда принято описывать с помощью квазиуровней Ферми.

Благодаря скачку дна зоны проводимости электронный квазиуровень E_F,n в р-узкой зоне оканчивается выше Е_с . Так возникает неравновесный вырожденный электронный газ. Концентрация неравновесных электронов оказывается даже выше, чем в n-полупроводнике. Такой рост концентрации неравновесных электронов (n_p) в р-полупроводнике при протекании тока называют сверхинжекцией.

За счет сверхинжекции n_p может быть выше, чем концентрация легирующих примесей  в n-полупроводнике.

 

{5}

4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики оптопар

Рисунок 4 – Схемы измерения и семейства вольтамперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода.

При работе в фотодиодном режиме (рисунок 4 а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р-n-перехода; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р-n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р-i-n-диодах это разделение происходит в поле i-oблaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р-n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рисунок 4 а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р-n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р-n-перехода. Создается некоторое новое равновесное состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

Характеристическими точками вольтамперных характеристик диода, работающего в таком – фотовентильном режиме, являются ЭДС холостого хода U_xx и ток короткого замыкания I_кз (рисунок 4 б).

Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:

_.

В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов – солнечные батареи. {4}