12. Внутрішній фотоефекти. Фотодіоди та фототранзистори, їх характеристики та парметри.

При освещении р-n перехода или прилегающих к нему областей светом, способным вызывать генерацию электронно-дырочных пар, через переход протекает ток, называемый первичным фототоком. Этот эф. наз. фотогальваническим.

Если р-n переход расположён на глубине w<L, где L — диффузионная длина, то значительная часть нос. дойдет до области объемного заряда перехода. Эл-ны, подошедшие к р-n переходу, подхватываются контактным полем E_K, направленным от n- к р-области, и перебрасываются в n-область, заряжая ее отрицательно (рис. б). Обусловленный ими первичный фототок ,

где  — коэффициент собирания, , G—число эл.-дырочных пар.

на переходе формируется прямое смещение V_ф, вызыв. понижение пот. барьера до значения φ₀—еV_ф и появление прямого тока. Если внеш. цепь разомкнута, то V_ф будет увел. до тех пор, пока прямой ток через р-n переход не уравняет фототок I_ф.

Возникающую при этом разность потенциалов V_ф называют фото-э.д.с. (рис. б): .

Вентильные фотоэлементы (солнечные батареи).

Мощность, кот. можно снять с фотоэлем. зав. от нагруз. сопр. R_H

Фотодиоды. При фотодиодном режиме работы фотоприемника на диод подают обратное смещение V (III квадрант ВАХ). В этом случае при освещении диода его обратная ветвь опускается вниз на I_ф, как показано на ВАХ, и на нагрузочном сопротивлении R_Н появл. сигнал V=I_фR_н кот. и регистрируется.

Основные характеристики фотодиодов.

ВАХ I_д=f(U_д) при Ф=const определяет зависим. тока фотодиода от напр. на нем при пост. вели-чине светового потока (рис. а). При полном затемнении (Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток I_т равный сумме обратного тока насыщения р-n перехода и тока утечки. С ростом светового потока I_д увел. Харак. особен. раб. обл. ВАХ явл. практич. полная независимость тока фотодиода от приложенного напр.

Световая хар-ка изображает зависимость тока фотодиода от величины светового потока при пост. напр. на фотодиоде: I_д=f(Ф) при U_д= const. (рис. б).

С пектральная хар-ка показывает зависимость спектральной чувствит. от длины волны

III

II

Параметры фотодиодов.

Интегральная чувствительность S_инт—отнош. фототока диода к интенсивности падающего немонохроматического излучения заданного спектрального состава:

Рабочее напр. U_р— пост. напр., приложенное к фотодиоду, при кот. обесп. номинальные парам

Темновой ток I_т — ток, протек. ч-з фотодиод при указанном напр. на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

13. Контакт метал – напівпровідник. Товщина шару об΄ємного заряду в контакті метал – напівпровідник.

Напруженість електричного поля у вакуумі між металом і н/п буде залежати від відстані між цими речовинами.

Густина поверхневого заряду σ:

Густина надлишкових або відсутність електронів на 1 см² N:

, [см²]; =1eV; N=5,5*10⁵см^-2; d=1см, то це означає, що при концентрації електронів у н/п n₀=10¹⁴см^-3 щоб створити такий поверхневий заряд із поверхневого шару товщиною L повинні залишити всі електрони .

Зміна ел. поля при контакті, яке створене об’ємним зарядом ρ на товщині dx на выдстані x від контакту становить . При x=L, . , а різниця потенціалів

Різниця потенціалів між межею яку будемо рахувати збігаючею з межею контакту х=0 і х=L до якого поширюється заряд рівним . З цієї формули знаходимо глибину проникнення ел. поля в н/п .

З цього виразу видно, що глибина проникнення ел поля у н/п буде тим більше чим більше різниця робіт виходу і менше крнцентрація вільних носіїв заряду, або товщина L збідненого шару буде збільшуватись із збільшенням контактної різниці потенціалів і зменшується з підвищенням концентрації носіїв заряду в н/п. Якщо ввести сталу діелектричну проникність то формула запишеться [м]. Введемо поняття як довжина екранування Дебая при контакті метал-н/п. Поміряємо відділення від контакту метал-н/п,

Довжина екранування Дебая ; .

4-ри випадки контакту метал – н/п.

Ці 4-ри випадки залежать від співвідношення робіт виходу із металу та н/п, а також від того який н/п n- чи p - типу контактує з металом.

1.Розглянемо випадок при цьому на межі контакту створюється шар заряджений позитивно і для n- і для p- типу, але випадок а) коли це н/п n- типу на межі контакту електронів буде менше ніж в об’ємі і опір шару на контакті буде більше ніж в об’ємі, тому такий шар називають запірним шаром. А якщо це б) н/п p – типу, то концентрація дірок на межі контакту буде значно більше ніж в об’ємі, опір цього шару буде малий в порівнянні з об’ємом, такий шар називають анти запірним шаром.

2. Розглянемо випадок . На межі контакту створюється негативний об’ємний заряд. Але в) коли це н/п n- типу на межі контакту електронів буде більше ніж в об’ємі і опір шару на контакті буде менший ніж в об’ємі, такий шар називають анти запірним шаром. А якщо це г) н/п p – типу, то концентрація дірок на межі контакту буде менше ніж в об’ємі, опір цього шару буде більше в порівнянні з об’ємом, такий шар називають запірним шаром.

Висновки по контакту Ме – н/п:

1.Енергі яку необхідно надати електрону, щоб перевести його з дна зони провідності (З.П.) в вакуум називають зовнішньою роботою виходу.

2.Термодинамічною роботою виходу електрону з твердого тіла називають величину енергії, яку треба надати електрону, щоб перевести його з рівня Фермі у вакуум.

3. Термодинамічна робота виходу залежить від температури, концентрації і виду домішок.

Термодинамічна робота виходу із н/п p – типу завжди більше n- типу, майже на ширину забороненої зони (З.З).

4. При контакті металів між любими 2-ма зовнішніми точками існує різниця потенціалів, яка називається зовнішньою контактною різницею потенціалів, вона визначається різницею робіт виходу.

5. Крім зовнішньої контактної різниці потенціалів є внутрішня, яка визначається різницею енергій Фермі.

6.Контакт Ме – н/п, в зв’язку з тим, що в об’ємі металу електричне поле існувати не може у відсутності струмі, то вся контактна різниця потенціалів спадає у приконтактному шарі н/п, що приводить до викривлення енергетичних зон на контакті.

7. Якщо приконтактний шар н/п збагачується основними носіями заряду, то він буде анти запірним. Якщо приконтактний шар н/п збагачується не основними носіями заряду, то він буде запірним.

8. При контакті двох тіл електрони переходять з тіла з більшою енергією Фермі в тіло з меншою енергією Фермі.

Буде направлений потік до тих пір поки рівні Фермі не зрівняються.

Ширина області об’ємного заряду на p-n переході (α₀)

Шир. обл.. об. заряду – це подвійний шар протилежних за знаком нерухомих об’ємних зарядів.

Для знаходження ширини p-n переходу використаємо рів-ня Пуассона:

Для n-області:

φ=0; 0<x<αn

Для p-області:

φ=φ₀; |αp|>x>0

Крайові умови для p-області:

x=-αp; φ=φ₀; dφ/dx=0 (6)

Крайові умови для p-області:

x=αn; φ=0; dφ/dx=0 (7)

Знайдемо розв’язки (4) і (5), які задовольняють умовам (6) і (7)

Для n-області:

φ(αn)=B=0; dφ/dx=-A=0

(9)

Для p-області:

При x=0 (9)=(10)

Добуток концентрації домішок на ширину області об’ємного заряду, який прилягає до p-n переходу – рівні між собою

Використаємо умову (1) і запишемо (14) у вигляді:

У цей вираз підставимо αn і αp з виразів (15) і (16):

Звідси знаходимо ширину області об’ємного заряду на p-n переході

Якщо pp>>nn =>