Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Т.С. Китаева

“Исследование основных характеристик фотоэлемента с p-n-переходом в вентильном режиме работы”

Методические указания к выполнению лабораторной работы № 4

по курсу физики твёрдого тела.

Рецензент: Ю.К. Крутоголов

Калуга 2006

Цель работы : измерить вольтамперные характеристики фотодиода и зависимости .

Теоретическая часть.

Фотоэлектрические свойства p-n-перехода.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при освещении p-n-перехода. Если осветить p-n-переход, например, со стороны n-области (Рис.1) светом с соответствующей длиной волны (энергия кванта света достаточна для образования пары электрон-дырка), то вблизи границы p-n-перехода образуются пары электрон-дырка. Образовавшиеся свободные электроны и дырки участвуют в тепловом движении и перемещаются в различных направлениях, в том числе и к p-n-переходу.

Контактное поле p-n-перехода разделяет главным образом диффундирующие к нему неосновные избыточные носители заряда : дырки, подошедшие к p-n-переходу, подхватываются полем контактной разности потенциалов и выбрасываются в p-область, а электроны остаются в n-области. Вследствие этого электронная область заряжается отрицательно, а дырочная – положительно.

Электрическое поле направлено противоположно контактному, при этом возникает некоторая равновесная разность потенциалов (фото-Э.Д.С.).

Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда у p-n-перехода, а, следовательно и величина фото-Э.Д.С. зависит от интенсивности падающего света. С возрастанием интенсивности фото-Э.Д.С. увеличивается, но она не может стать больше контактной разности потенциалов, существующей между p- и n-областями p-n-перехода.

Явление возникновения Э.Д.С. между двумя разнородными полупроводниками (или между полупроводником и металлом, разделёнными электрическим переходом) по действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом. Фотогальванический полупроводниковый прибор, действие кторого основано на использовании фотогальванического эффекта, называют фотогальваническим элементом.

1.2. Основное уравнение полупроводникового фотоэлемента.

Различают два режима работы фотоэлемента : вентильный и фотодиодный. Вентильный режим характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотоэлемента. При этом внешнее сопротивление в общем случае может быть включено в цепь. В данной работе изучается только вентильный режим работы фотоэлемента.

Рассмотрим количественно механизм возникновения вентильной фото-Э.Д.С. на p-n-переходе. Допустим, что имеется p-n-переход в равновесии (в темноте). Рассмотрим вопрос о величине тока через границу между p- и n-полупроводниками. Обозначим абсолютные значения токов электронов и дырок, падающих на границу “А” из электронной области соответственно через и , а из дырочной области – через и (рис. 2.1). Тогда , или

Для этих равновесных токов введём обозначения : .

Пусть теперь фотодиод освещается со стороны n-области. При этом в нём возникают пары электрон-дырка. В первом приближении изменение концентрации электронов в n-области можно не учитывать, неравновесные электроны быстро принимают распределение, соответствующее температуре образца. Лишь ничтожная их доля может, преодолевая потенциальный барьер, переходить в p-область. Таким образом, действие освещения проявляется лишь в увеличении концентрации неосновных носителей (в нашем случае дырок), для которых потенциального барьера нет. Следовательно, возрастает дырочный ток, падающий на границу “А” из электронной области. Добавку этого дырочного тока, связанную с освещением, обозначим через (Рис. 2.2). Наличие нарушает равновесие. Избыточный дырочный ток приводит к тому, что p-область фотоэлемента заряжается положительно, а n-область – отрицательно, т.е. наблюдается ”заряжающее” действие фототока.

А как же ведут себя основные носители заряда при освещении? Из рис. 2.2 видно, что уровни Ферми (они отмечены -·-·-·-) в обоих проводниках при освещении уже не совпадают, а разрыв между ними соответствует разности потенциалов, возникшей в результате освещения. При таком смещении число электронов в n-области и дырок в p-области, энергия которых достаточна для преодоления потенциального барьера при переходе через границу “А”, растёт. Это приводит к тому, что “заряжающее” действие фототока всё в большей мере компенсируется соответствующим возрастанием обратных “тепловых потоков” основных носителей.

В стационарном состоянии общий ток через p-n-переход равен нулю. Для определения соответствующей этому состоянию вентильной фото-Э.Д.С. можно написать : , где , , , - токи равновесных носителей при освещении.

Из рис. 2.2 видно, что токи и при освещении остаются равными своим значениям в равновесии : , . Токи и при освещении изменяются (в результате взаимного смещения энергетических уровней и изменения величины потенциальных барьеров) и становятся равными : , . Учитывая это, получим при подстановке : , или, обозначив , получим , отсюда , где - вентильная фото-Э.Д.С. в разомкнутой цепи.

В общем случае, если электронный и дырочный концы фотодиода замкнуты какой-либо внешней цепью, то в правой части выражения (1) вместо нуля, согласно закону Кирхгофа, следует написать ток I, ответвляющийся в эту цепь. В этом случае получим общее уравнение фотодиода : , где , - разность потенциалов на p-n-переходе, в общем случае не совпадающая с фото-Э.Д.С. в разомкнутой цепи (2). Если цепь, замыкающая фотоэлемент, представляет собой просто нагрузочное сопротивление , то . Анализируя выражение (3) видим, что фототок равен сумме токов : через сопротивление : и тока “утечки” через запорный слой : . При малых внешних сопротивлениях (режим тока короткого замыкания) , тогда . При больших (режим фото-Э.Д.С.) .