6.4. Фотогальванический эффект в p-nпереходе и его применения

Фотогальванический эффект заключается в возникновении электрического тока (фототока) при освещении полупроводникового p-nперехода, включенного в замкнутую цепь, или возникновении ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи (фотоЭДС). Физическая природа фотогальванического эффекта связана с поглощением света полупроводником при одновременной генерации подвижных носителей – электронов и дырок.

Прибор, основанный на фотогальваническом эффекте, называется фотодиодом. Основой такого прибора является мелкий (глубиной 3…5 мкм)p⁺-n переход в эпитаксиальной пленкеSiилиGe(рис. 6.16,а). Небольшая глубинаp⁺-n перехода необходима для уменьшения поглощения светового потокаФ, достигающего перехода. С целью снижения объемного сопротивления кристалла эпитаксиальная пленкаn-типа проводимости выращивается на подложке сильно легированного кремния или германияn⁺типа проводимости.

Существуют два режима использования фотодиода: без внешнего питания - вентильный или фотовольтаический режим и с внешним питанием - фотодиодный режим. Фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрическую без внешнего питания, называют вентильными фотоэлементами.

Процессы, происходящие в p⁺-nпереходе под воздействием света иллюстрируются с помощью энергетической зонной диаграммы перехода, представленной на рис. 6.16,б. Свет с энергиейhνпопадает в полупроводник через специальное окно, созданное на поверхностиp⁺-слоя. В результате освещения вp⁺-nпереходе и прилегающих областях генерируются избыточные носители заряда – электроны и дырки.

Вентильный режим.Под воздействием внутреннего электрического поляЕвp⁺-nпереходе электроны будут перемещаться вn-область, а дырки – вp⁺- область, где происходит их накопление. При отсутствии источника обратного смещения накопление основных носителей заряда вp⁺и n- областях ведет к снижению потенциального барьера между этими областями до значения φ_к-U_хх, гдеU_хх- величина фотоЭДС. Вp⁺-nпереходе появляется фототокj_ф, направление которого совпадает с направлением обратного теплового токаj₀. В свою очередь снижение потенциального барьера в переходе на величинуU_ххприводит к увеличению диффузионного токаj_дифнеосновных носителей заряда черезp⁺-nпереход. Сравнивая выражения (4.7) и (4.12), для величины этого тока получим соотношение

. (6.14)

Диффузионный ток j_дифнаправлен навстречу сумме токовj_ф+ j₀. Поскольку, как уже отмечалось выше (п. 4.1.1) через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, то есть

j_диф=j_ф +j₀. (6.15)

Возможны несколько вариантов включения p⁺-nперехода во внешнюю электрическую цепь.

При коротком замыканиивнешних выводовp⁺-nперехода из выражений (6.14) и (6.15) следует, что величина фототока равна

. (6.16)

При фиксированном значении освещенности поверхности полупроводникового перехода значение фототока j_фявляется параметром.

При разомкнутых выводахp⁺-nперехода на выводах появляется фотоЭДСU_ф =U_хх, величина которой рассчитывается из соотношения (6.16):

. (6.17)

Как уже отмечалось, появление фотоЭДС на выводахp-nперехода при освещении его светом носит название фотовольтаического эффекта.

На рис. 6.17 представлены ВАХ фотодиода, работающего в вентильном режиме. Они расположены в 4 квадранте декартовой системы координат. На горизонтальной оси графиков отложены значения напряжения холостого хода U_хх, возникающего на разомкнутых выводах фотодиода (R_н=∞). По вертикальной оси отложены значения фототокаI_ф, протекающего в цепи при коротком замыкании выводов фотодиода (R_н=0 Ом).

Фотодиодный режим. При подключении к освещенному p⁺-n переходу источника обратного смещенияcнапряжениемUток в цепи будет равен

, (6.18)

где .

Подставляя значение j_p-nв формулу (6.18), получим, что величина тока через освещенныйp⁺-nпереход определяется из выражения

. (6.19)

При значениях обратного напряжения |U|>>φ_травенство (6.19) можно записать в виде

. (6.20)

Из формулы (6.20) следует, что при освещении p⁺-nперехода, находящегося под обратным смещением, величина обратного тока возрастает на величину фототокаj_ф.

На рис. 6.18 показано семейство ВАХ фотоэлемента, работающего в фотодиодном режиме. Поскольку на p-nпереход подается обратное напряжение смещения –U, то характеристики находятся в 3 квадранте декартовой системы координат. При последовательном подключении нагрузки междуp-nпереходом и источником питания, в нагрузке протекает фототок, пропорциональный интенсивности освещения.

В фотодиодном режиме за счет источника внешнего напряжения фототок i_ф примерно равен току короткого замыкания вентильного элемента, а падение напряжения от фототока на нагрузке U_ф при любом сопротивлении нагрузки больше по величине, чем фотоЭДС в вентильном режиме.

На рис. 6.19 представлен полный вид семейства вольтамперных характеристик фотодиода, построенных в соответствии с выражением (6.19) для различных значений световых потоков,Ф, падающих наp⁺-nпереход.

Видно, что при величине светового потока Ф₀=0 ВАХ имеет обычный вид. ПриФ≠0 графики ВАХ смещаются вниз на отрезки, равные –j_фi.

Фотодиодный режим реализуется при приложении к p-nпереходу обратного напряжения смещения. При последовательном подключении нагрузки междуp-nпереходом и источником питания, в нагрузке протекает фототок, пропорциональный интенсивности освещения.

Режим генерации фото ЭДС осуществляется без подключения внешнего напряжения. Ему соответствует квадрант 4 вольтамперной характеристики (рис. 6.19). Этот режим применяется в солнечных батареях (элементах).

Включение p-nперехода фотодиода в прямом направлении практически не используется (1 квадрант ВАХ).

Диодная оптопара.Оптопары, или оптроны, являются основными структурными элементами оптоэлектроники - одного из современных направлений функциональной микроэлектроники.

Простейший диодный оптрон состоит из трех элементов (рис. 6.20): фотоизлучателя 1, световода 2 и фотоприемника 3, заключенных в светонепроницаемый герметичный корпус. При подаче на вход электрического сигнала возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, в котором вырабатывается выходной электрический сигнал. Существенной особенностью оптрона является то, что его элементы связаны оптически, а электрически вход и выход изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Условное обозначение диодного оптрона приведено на рис. 6.21, а его конструкция - на рис. 6.22.

Рис.6.20

Рис.6.21

Рис.6.22

1,2 - р и n области фотодиода; 3,4 - n и р области светодиода; 5 -световод на основе селенового стекла; 6,7 - контакты светодиода; 8,9 - контакты фотодиода.

В качестве фотоизлучателей оптронов получили распространение инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом рекомбинации электронов и дырок.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Выведите закон Бугера-Ламберта.

2. Объясните механизмы собственного поглощения света в полупроводниках. Как происходят прямые и непрямые оптические переходы?

3. Перечислите другие виды поглощения света в полупроводниках. Дайте определение экситона.

4. Что такое внутренний фотоэффект?

5. Нарисуйте график зависимости фототока в полупроводнике от энергии падающего света, объясните его.

6. Объясните закономерности нарастания и спада фотопроводимости полупроводника.

7. В чем заключаются особенности мономолекулярной люминесценции полупроводников?

8. Объясните устройство и принцип действия электролюминесцентного индикатора.

9. Объясните сущность фотогальванического эффект в p-n переходе. Применения фотогальванического эффекта.

10. Поясните принцип действия и устройство интегрального оптрона.

11. Поясните процесс образования фототока диода.

12. Поясните принцип действия светодиода.

13. Почему оптроны используются для развязки электрических цепей?

P-n переход

- обратное смещение 210, 212

Внутренний фотоэффект 199

Закон

- Бугера-Ламберта 192

Коэффициент

- поглощения света 191

Люминесценция

- катодолюминесценция 207

- фотолюминесценция 206

- электролюминесценция 208

Носители заряда

- неравновесные 200

Оптопара

- диодная 213

- резисторная 205

Поглощение света

- кристаллической решеткой 198

- примесное 196

- свободными носителями заряда 197

- собственное 192

- экситонное 198

Фотогальванический эффект 209

Фотодиод 209

Фоторезистор 203