3. 3. 4. Фотоэффект на р-n-переходе. Вольт-амперная характеристика перехода.

р-n-Переход является основной частью большинства полупроводниковых приборов. Когда области полупроводника n- и p- типа объединяются в единый кристалл, носители перераспределяются таким образом, чтобы выровнять уровень Ферми в полупроводнике (рис.21). В области контакта происходит перераспределение носителей тока. Электроны с доноров переходят в р-область, где их мало. В n-области остаются малоподвижные положительные ионы доноров, а на р-стороне – отрицательные ионы дырок. Образуется дипольный слой, который препятствует дальнейшей диффузии носителей.

Рис.21.Соединение областей р- и n-типа(а) и образование p-n-перехода (б).

Е_F-уровень Ферми, Х_n и Х_р -толщины обедненных областей,

V_n и V_p -изменение потенциала в обеих областях,

DЕ -общая величина изменения потенциала.

Дипольный слой располагается по обе стороны от перехода, и общая протяженность этого «обедненного слоя» называется «толщиной перехода». В переходной области энергетические зоны деформируются так, что образуется потенциальный барьер, электронно-дырочный переход, р-n-переход, контактная разность потенциалов, двойной электрический слой, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. Высота барьера равняется разности работ выхода в р- и n- полупроводниках, т. е. разности уровней Ферми в р- и n-областях. Выравнивания уровней Ферми можно пояснить на примере уровней жидкости в двух сосудах: при соединении двух сосудов с разными уровнями жидкости возникает поток жидкости, в результате которого уровни выравниваются. Точно также при соединении двух полупроводников возникают потоки носителей заряда из одного полупроводника в другой, и уровни Ферми выравниваются. Можно сказать, что р-n-переход образует плоскопараллельный конденсатор, состоящий из двух проводящих областей, разделенных слоем объёмного заряда. В слое объёмного заряда отсутствуют подвижные носители, следовательно, область обеднения является изолирующей. В р-n-переходе образуется электростатическое поле, потенциал поля удовлетворяет уравнению Пуассона:

Dj = 4pr/e (в системе СГСЭ),

где D - оператор Лапласа, r - плотность, e - диэлектрическая постоянная. Разность потенциалов между двумя равномерно и разноименно заряженными параллельными плоскостями

DV = 4psd/e,

s - поверхностная плотность заряда, d – расстояние между обкладками. Типичные значения DV = 1 В, d = 10^-4 – 10^-6 см, тогда в р-n-переходе возможны локальные поля 10⁴ – 10⁶ В/см. Контактный слой в обоих полупроводниках обеднен основными носителями заряда, имеет большое сопротивление и обладает пониженной проводимостью, т.е. является запирающим.

Пусть к контактному слою приложено внешнее поле в направлении поля контактного слоя (рис. 22а). Внешнее поле будет увеличивать движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике в противоположные стороны от р-n-перехода. При этом растет запирающий слой. Направление внешнего поля называется запирающим, обратным. Если внешнее поле направлено противоположно полю контактного слоя р-n-перехода, то под действием внешнего поля электроны и дырки движутся к границе р-n-перехода навстречу друг другу. Толщина контактного слоя уменьшается, проводимость увеличивается, сопротивление уменьшается. Имеем прямое, пропускное направление внешнего поля (рис. 22б).

Рис. 22. Схема p-n-перехода при обратном (а) и прямом (б) направлениях

внешнего электрического поля.

Рассмотрим работу приемников излучения на р-n-переходе. Пусть излучение возникает в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода. В результате поглощения фотонов с энергией большей, чем ширина запрещённой зоны, происходит генерация электронно-дырочных пар (фотоносителей). Пусть фотоносители диффундируют вглубь n-области полупроводника. Ширина n-области такова, что основная доля созданных излучением фотоносителей не успевает рекомбинировать в n-области и доходит до границы p-n-перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n-перехода. При этом дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p-n-перехода в n-области. Таким образом, ток фотоносителей через p-n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей заряда – дырок. Разделение носителей возможно лишь вблизи перехода, вероятность этого процесса уменьшается, как еxp(-x/L), в обе стороны от перехода. L – длина диффузии, равная уменьшению неравновесных носителей в е раз, L = ÖD×t, где D – коэффициент диффузии, t - время жизни носителей. Разделение зарядов приводит к возникновению разности потенциалов – называемой фото-ЭДС – и снижает внутренний потенциальный барьер. Если переход соединен с внешней цепью, то можно измерить фото-ЭДС; освещенный барьер действует, как батарея. Вольт-амперная характеристика фотодиода (ВАХ) описывается уравнением:

I = I₀(exp eV/kT – 1) - I_Ф,

I – ток, который течет через р-n-переход, I₀ – ток насыщения, создаваемый свободными носителями, генерируемыми за счет теплового возбуждения, I_Ф – ток, созданный носителями, возбужденными светом. При потоке излучения Ф = 0 и I_Ф = 0 ВАХ проходит через начало координат и соответствует ВАХ обычного (выпрямительного) диода (рис. 23).

Рис. 23. Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода. Ф₁<Ф₂<Ф₃.

Если к p-n-переходу прикладывается обратное напряжение, область его расширяется; наблюдается увеличение обратного тока с ростом потока излучения; фототок практически не зависит от обратного напряжения.