4. Фотоэлектрические явления в p-n-переходов.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при освещении p-n-перехода.

При освещении p-n-перехода, например, со стороны n-области (рис. 7) светом, энергия кванта которого  достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы p-n-перехода образуются носители заряда – электроны и дырки. Образовавшиеся в результате фотогенерации свободные электроны и дырки участвуют в тепловом движении и диффундируют в различных направлениях, в том числе и в область p-n-перехода. Внутреннее контактное поле p-n-перехода разделяет 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. При этом возникает некоторая равновесная разность потенциалов между контактами 1 и 2 – напряжение холостого хода или фото-э.д.с. (точка Д на ВАХ, рис.8).

Закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения.

2. Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре существует порог (минимальная частота ν₀ или максимальная длина волны λ₀ излучения), за которыми фотоэффект не возникает. Пороговая частота или пороговая длина волны – красная граница фотоэффекта.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y.

Квантовый выход – по физическому смыслу это число вылетевших электронов, приходящихся на один фотон. Квантовый выход зависит от свойств тела, состояния поверхности и энергии фотонов. Фотоэффект из металлов возникает, если hν ≥ A (для чистых металлов) Рис. 4а. Работа выхода – та кинетическая энергия, которую нужно добавить к энергии Ферми, чтобы электрон вышел.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

      Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

–ток короткого замыкания фотоэлемента;  – напряжение холостого хода, равное фото-э.д.с.

Явление возникновения электродвижущей силы между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости, разделенными p-n-переходом, под действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом.

Возникшей фото-э.д.с. соответствует электрическое поле, направленное противоположно контактному полю, которое компенсирует частично потенциальный барьер p-n-перехода при данной освещенности. Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда у p-n-перехода, а, следовательно, и величина фото-э.д.с. зависят от интенсивности падающего света. С возрастанием интенсивности фото-э.д.с. увеличивается, но она не может стать больше контактной разности потенциалов .

Если освещенный p-n-переход включить в замкнутую цепь с нагрузкой, то по ней потечет ток, приводящий к уменьшению избыточной концентрации электронов и дырок. Это рабочий режим фотоэлемента, который соответствует участку II на вольт-амперной характеристике.

Если p-n-переход замкнут накоротко, то избыточные разделенные переходом носители заряда создают максимально возможное значение тока – ток короткого замыкания (точка С на ВАХ). При этом никакого скопления образованных под действием света зарядов в p- и n-областях не возникает, а потенциальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в темноте.

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании фотогальванического эффекта, называют полупроводниковым фотоэлементом.

Режим работы p-n-перехода при его освещении, когда к нему приложено внешнее напряжение в обратном направлении, называется фотодиодным (участок I на ВАХ на рис. 8). Соответствующий фотоэлектрический полупроводниковый прибор называется фотодиодом.

Различают два вида внутреннего фотоэффекта: фоторезистивный и вентильный.