9

Лабораторная работа №2

Цель работы:

Изучение статических фотоэлектрических характеристик фотогальванических элементов на основе p-n перехода.

1. Теоретическое введение Введение

Фотодиод относится к приемникам электромагнитных излучений оптического диапазона частот. Он является одним из прообразов функционально интегрированных устройств, преобразующих энергию электромагнитного излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, с последующим разделением встроенным электрическим полем p-n перехода.

1.1. Модельные представления

а.) Преобразование энергии фотонов в неравновесные электронно-дырочные пары.

Баланс генерационно-рекомбинационных процессов, протекающих в базовых областях фотодиода, определяется следующими дифференциальными уравнениями:

где ∆n, ∆р – концентрации неравновесных носителей, Ф – интенсивность потока фотонов, k – коэффициент поглощения света, β – квантовая эффективность, τ_{mn, mp} – мгновенные времена жизни носителей в зонах локализованных состояний.

Левая часть уравнений характеризует темпы изменения концентрации неравновесных носителей, первые члены правых частей – темпы генерации пар светом, а вторые члены - темпы рекомбинации электронно-дырочных пар.

Для случая линейного механизма рекомбинации (в частности для малых интенсивностей возбуждения), . Тогда из представляемых дифференциальных уравнений получам решения, описывающие переходные процессы нарастания и спада концентрации неравновесных пар:

,

б.) Фотопроводимость

Появление в зонах C и V неравновесных электронов и дырок приводит к изменениям проводимости n и р-баз диода:

так что, относительные изменения удельной проводимости любой области диода, например, в стационарных условиях (продолжительность процесса облучения >> характерного времени релаксации фотопроводимости), выглядят следующим образом:

- В условиях малых возбуждений (∆n, ∆p<<n₀, p₀)

- При освещении n-области диода (n₀>>p₀, n₀, p₀< n₀):

- При освещении n-области конечных размеров (x≤k^-1) изменение полной проводимости (фотопроводимость):

При приложении к образцу разности электрических потенциалов эффект фотосопротивления проявится в виде фототока, т.е. изменения (приращения) тока освещенного образца.

в.) Разделение пар; фотодиод

Вероятность процессов рекомбинации электронно-дырочных пар пропорциональна их взаимной концентрации, а фотопроводимость пропорциональна их временам жизни, т.е. величинами, обратным вероятности рекомбинации. Характерные времена жизни неравновесных носителей, а значит и фотопроводимость, можно было бы существенно увеличить, если за временной отрезок существенно меньший τ_n и τ_р дырки рожденные светом в n-области перенести в р-область, а электроны, рожденные в р-области перенести – в n-область.

Функции своеобразного “демона Максвелла” по отношению к неосновным носителям n- и р-областей p-n переходного диода выполняет встроенное в окрестности металлургической границы р- и n-областей электрическое поле p-n перехода.

Эффективность такого разделения будет зависеть от материала диода (τ_n,р и φ_к различны для различных материалов) и схемы включения его в детектирующую электрическую цепь. Действительно, характерные времена жизни () существенно различны для различных материалов (10^-2 с÷10^-9 с). Различными являются и такие параметры как μ_n, μ_р (100÷10000см² /В с), коэффициенты поглощения в видимом диапазоне частот k (5·10^-3÷5·10^-4 см^-1), квантовая эффективность β (0,3÷0,9) – характеризует способность в преобразованию материала диода кванта света в неравновесную пару, энергетическая ширина запрещенной зоны E_g (0,3÷3,0 эВ) – определяющая спектральный диапазон чувствительности материала, предельную величину контактной разности потенциала, а значит и величину встроенного поля p-n перехода, а значит и предельные величины разделяющего электроны и дырки поля от внешнего напряжения.

Таким образом, выбор материала и конструкции фотодиода диктуется необходимостью оптимизации его как преобразователя фотоков в неравновесные электронно-дырочные пары, так и как устройства сортирующего электроны и дырки за характерные времени, меньшие .

Из теории p-n –перехода (см. [ ], [ ], [ ], известно, что существенное число неосновных носителей любой из его областей (независимо от механизма их генерации) рожденных на расстояниях от металлургической границы, меньших диффузионных длин (характерные расстояния диффузии неосновных носителей за время жизни), доходит до нее, захватываются встроенным полем p-n перехода и выносятся в однотипную область, где времена их жизни существенно увеличиваются – в меру отношения (для неравновесных дырок) и (неравновесных электронов).

Если внешняя цепь фотодиода разорвана, то разделяемые p-n переходом неравновесные (избыточные) носители приведут к зарядке емкости p-n перехода и появлению разности потенциалов на его р- и n-базах. Это, так называемая, “фото-ЭДС холостого хода” (фотогальванический эффект).

В случае наличия внешней цепи разделенные неравновесные пары дадут вклад в ток (генератором тока является световой поток, а роль разделителя носителей пар выполняет встроенное поле p-n перехода). Если же во внешней цепи расположен еще и внешний источник напряжения, то он также берет на себя в значительной степени функцию разделителя.

При наличии внешней электрической цепи, включающей источник напряжения обратно смещенного диода и нагрузочное сопротивление, ток в цепи будет суперпозицей темнового тока (тока неравновесных носителей, термоактивированных в р- и n-базах) и фототока. Токи эти и соответствующие разности потенциалов выделяемые на ОПЗ p-n перехода, его базах и сопротивлении нагрузки внешней цепи, должны подчиняться законом Кирхгоффа.

Ниже получим основне уравнение фотодиода для работы в диодном и фотогальванических режимах. Сделаем это, следуя С.М. Рывкину [ ] (диодная теория) и Р.Куммерову (диффузионная теория).