Цель работы: изучение внутреннего фотоэффекта в полу­проводнике; исследование вольт-амперных характеристик фото­диода.

Основные понятия

В полупроводниках и диэлектриках под действием доста­точно коротковолнового электромагнитного излучения может происходить передача энергии фотонов электронам вещества. Последние, оставаясь в пределах кристалла, переходят на более высокие энергетические уровни (рис. 1).

Указанные процессы приводят к появлению дополнитель­ных (по сравнению с равновесным состоянием) носителей тока (электронов проводимости или дырок в валентной зоне) и, вследствие этого, к возникновению добавочной проводимости (фотопроводимости).

Изменение электрического сопротивления полупроводника (или диэлектрика) под действием излучения называется внутрен­ним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом).

Рассмотрим внутренний фотоэффект, возникающий на р-n-переходе. Фотодиод обычно изготавливается на основе монокри­сталла кремния или германия, в котором путём легирования до-норными и акцепторными примесями созданы области с элек­тронной и дырочной проводимостью (кратко называемые со­ответственно п- и р-областями), граница между которыми пред­ставляет собой р-n-переход (рис. 2).

Пусть освещение фотодиода производится со стороны п-области (рис. 2), которая легирована слабее, чем р-область, и обладает сравнительно малой толщиной.

Как известно, при образовании р-n-перехода происходит перераспределение носителей зарядов между обеими областями - диффузия электронов из тонкого приграничного слоя n-области в соответствующий слой р-области и диффузия дырок в проти­воположном направлении из-за наличия градиента концентрации этих частиц. Вследствие этого первый из названных слоев при­обретает положительный объёмный заряд, а второй - отрицательный (рис. 2, 3); в области p-n-перехода возникает сильное электрическое поле, направленное от n-области к р-области, и изгиб (искривление) энергетических зон (рис. 3 а). Сказанное выше относится к случаю, когда фотодиод не освещен и его цепь разомкнута.

При освещении n-области в ней генерируются неравновес­ные электроны и дырки. Электрическое поле р-n-перехода пре­пятствует переходу электронов из n-области в p-область, но, на-против, способствует движению фотогенерированных положи­тельно заряженных дырок в указанном направлении. Таким об­разом, при освещении n-области фотодиода возникает дырочный фототек Iф , направленный в p-область. Это приводит к умень­шению абсолютной величины объёмной плотности отрицательного заряда в приграничном слое p-области и к изменению её потен­циала в сторону более положительных значений (по сравнению

с темновыми условиями). Вследствие этого разность потенциалов между обеими областями при освещении (при разомкнутой внешней цепи) уменьшается на определённую величину U, называемую фото-э.д.с, или напряжением холостого хода U_x._x.. Это сопровождается уменьшением величин изгиба зон и потенци­ального барьера в области р-n-перехода (рис. 3, б) и, как след­ствие, - к появлению дырочного тока утечки I_у из р-области в n-область. В итоге при освещении фотодиода (при разомкнутой внешней цепи) установится новое состояние динамического рав­новесия, при котором токи Iф и I_У взаимно компенсируются.

Рассмотренный режим работы фотодиода, характеризую­щийся отсутствием источника внешнего напряжения, называется вентильным.

Если же к р-n-переходу подключить внешний источник напряжения U, то высота потенциального барьера изменится на величину eU (где е - заряд электрона), динамическое равновесие между фототоком Iф и током утечки I_у нарушится, и в цепи фотодиода потечёт ток, равный

где Ф- величина падающего светового потока,

Is-tok насыщения р-n-перехода.

Уравнение (1) описывает семейство вольт-амперных характерис­тик (ВАХ) фотодиода, изображённых на рисунке 4.

Обратная ветвь ВАХ, изображённая в левой части рисунка 4, характеризуется незначительными изменениями тока при уве­личении обратного напряжения, соответствующий ей режим работы называется фотодиодным. В нём фототек насыщения прямо пропорционален световому потоку.

Если U = 0, то из выражения (1) получим:

Если же электрическая цепь фотодиода разомкнута (при вентильном режиме), то при этом I=0;

отсюда