Модельные представления

а.) Диодная теория

P-n переход тонкий, идеальный и плоский и задача одномерная.

Источник света, как правило, протяженный, а для соотношения между коэффициентом поглощения и диффузионной длиной справедливо неравенство . Оптимальная конструкция плоского фотодиода выполняется обычно таким образом, что фотоприемной часто является слаболегированная база p-n перехода (чаще n-база).

Итак, получим основное уравнение идеального диода, облучаемого со стороны слаболегированной базы n-типа.

В равновесном состоянии для потока электронов и дырок через плоскость p-n перехода справедливо уравнение баланса (см. рис. ....)

При освещении n-базы это равновесие нарушается, дырочная область заряжается положительна.

В стационарном состоянии потоки зарядов через плоскость p-n перехода уравновешивается друг друга:

При этом, т.к. , а , то в n-области:

, а

Кроме того, избыточные носители за ∆t≤10^-11 с (<<) термализуются к “потолку” зоны V (дырки) и “дну” зоны С (электроны). В n-базе термолизованные неравновесные электроны ∆n_n не дадут существенного вклада в темновые (обратные) токи диода, т.к. из числа образующихся неравновесных электронов лишь часть ≤ преодолеет контактный барьер и попадет в p-область. Для термолизованных в n-базе дырок , барьера нет и часть из их общего числа, дошедшая до ОПЗ, втягивается встроенным полем в р-базу и дает вклад в обратный ток диода. Эта часть дырочной компоненты тока неосновных носителей и будет составлять фототок.

В результате разделения неравновесных электронов и дырок, изначальный заряд емкости p-n перехода (плюс – в n-базе, минус – в р-базе) будет частично компенсироваться зарядом неравновесных дырок из n-базы. Это приведет к понижению контактной разности потенциалов с до (-φ_xx). В результате ток основных (инжектированных) носителей станет равным:

Ток для неосновных неравновесных носителей:

Ток равновесных неосновных носителей остается прежним. Тогда, из уравнения баланса (для разорванной цепи в фотовольтаическом режиме):

Имеем:

основное уравнение фотоэлемента

Откуда для разности потенциалов на p-n (фото-ЭДС)

Для реальных фотоэлементов эксперименту лучше соответствуют формулы:

где А=А(d)=

Для замкнутой внешней цепи:

Из закона Кирхгоффа (см. рис. )

Откуда для разности потенциалов на p-n переходе:

Частный случай:

Если во внешней цепи линейный резистор, то (см. рис. ). тогда уравнение фотодиода для работы в вентильном режиме (нет внешнего источника):

Откуда:

• При R малых (токи короткого замыкания, I_к.з.): и

• При R больших (режим холостого хода, I_х.х..):

Фотодиодный режим ()