3. 3. 5. Вентильные фотоэлементы и фотодиоды.

Освещаемый p-n-переход используется в двух режимах работы: в режиме генерации фото-ЭДС (вентильном) и в фотодиодном режиме.

1. Фотовольтаический или фотогальванический, вентильный режим работы. В фотодиоде под действием света генерируется ЭДС без внешнего источника питания. Возникает напряжение – положительный потенциал на конце р-типа, отрицательный – на конце n-типа.

2. Фотодиодный. К p-n-переходу подключается внешний источник питания в направлении запирания. Ток, проходящий во внешней нагрузке, изменяется в зависимости от освещенности р-n-перехода. Фотодиод включается в электрическую сеть последовательно с внешним источником питания, как полупроводниковый диод с обратным смещением. Измеряют увеличение напряжения при освещении фотодиода. Фотоэлементы, работающие в фотодиодном режиме, обладают большей чувствительностью, чем вентильный фотодиод.

На рис. 24 представлены схематическое изображение фотодиодов и схемы включение обоих типов приемников в сеть.

Рис. 24. Включение фотодиода в фотодиодном (а) и вентильном (б)

режимах работы.

Спектральная характеристика фотодиодов подобна той, что наблюдается у фоторезисторов. Коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Спад фоточувствительности в области длинных волн соответствует краю собственного поглощения полупроводника (ширине запрещённой зоны).

Приёмники излучения на основе p-n-перехода обладают малой инерционностью. Быстродействие фотодиода определяется процессами разделения носителей заряда полем p-n-перехода, возникающих при поглощении света, а также ёмкостью p-n-перехода. Разделение фотоносителей заряда полем p-n-перехода происходит после того, как соответствующий носитель из места возникновения продиффундирует к p-n-переходу. Время пролёта носителей через p-n-переход пропорционально его толщине и обратно пропорционально максимальной скорости движения носителей в электрическом поле. Например, в германии и кремнии максимальная скорость дрейфа носителей заряда равняется ~ 5^.10⁶ см/с; толщина p-n-перехода обычно составляет менее 5 мкм. Следовательно, время пролёта носителей заряда через p-n-переход равняется ~ 10^-10 с.

Фотодиоды на основе p-n-перехода обычно изготавливают методом диффузии примесей р-типа в базу n-типа или наоборот. Концентрация носителей заряда равняется 10¹⁶ - 10¹⁷ см^-3. Излучение падает на полупроводник р-типа, что позволяет создать большее количество электронно-дырочных пар, т.к. оптическое поглощение в полупроводнике p-типа почти на порядок величины больше, чем в материале n-типа. Толщина p-слоя подбирается такой, чтобы носители заряда успели дойти до р-n-перехода, не успев рекомбинировать.

Важным параметром фотоэлемента в дополнение к параметрам, характеризующим фотодиод, при использовании его в качестве источника энергии является к.п.д. Он характеризуется отношением максимальной мощности электрического тока, которую можно получить от фотоэлемента, к мощности излучения, падающего на фотоэлемент. Снижение к.п.д. происходит из-за потерь на отражение падающего света от поверхности элемента; кроме этого следует учитывать, что часть носителей, возбуждённых светом, рекомбинирует, не доходя до p-n-перехода.

Обычно вентильные фотоэлементы используются для преобразования солнечной энергии в электрическую. Они имеют применение на космических станциях, квантовая эффективность их составляет ~ 20 %. К.п.д. будет тем больше, чем большая часть спектра солнечного света участвует в генерации носителей тока. В настоящее время фотоэлементы изготавливаются в основном из кремния и арсенида галлия. Перспективным является соединение AlGaAs, фотоэлементы их которых позволяют получить элементы с к.п.д. до 20%. Величина вентильной фото-ЭДС пропорциональна ширине запрещенной зоны материала.

Рис. 25. Вольт-амперные характеристики германиевого p-n-перехода

при различных температурах (а) и характеристики из

различных материалов при температурах 20^оС.

На рис. 25 представлены вольт-амперные характеристики р-n-перехода в зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника (германий, Е_g=0.68 эВ; кремний, Е_g= 1.1 эВ; арсенид галлия, Е_g=1.43 эВ) и вольт-амперные характеристики германиевого p-n-перехода при различных температурах.

Основные параметры фотодиодов.

Вентильный фотоэлемент.

S = до 5 В/Вт,

D^* = (5×10¹⁰-5×10¹¹) см×Гц^1/2×Вт^-1,

t = 10^-6 с,

h = 0.2 – 1.0.

Фотодиоды.

S ~ 10² В/Вт,

D^* ~ (10¹² – 10¹³) см×Гц^1/2×Вт,

t ~ до 10^-9 с.

Шумы имеют небольшие значения. Кроме уже известных, наблюдается шум перехода, связанный со случайным характером прохождения барьера и диффузией носителей в смежные области.