1 Физические основы полупроводников

1.4 Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

1.4.1 Фотоэффект в n-p-переходе

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 10²² см^–3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.

При внутреннем фотоэффекте световой поток управляет обратным током n-p перехода. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость n-p перехода возрастает и обратный ток увеличивается. Вольтамперные характеристики I = f(U) при Ф = const показаны на рисунке 1.27. Если светового потока Ф нет, то через n-p переход протекает обычный начальный обратный ток I₀, который называют темновым. А под действием светового потока ток возрастает, и характеристика располагается выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на n-p переходе незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики электронно-дырочного перехода I = f(Ф) при U = const линейны и мало зависят от напряжения (рисунок 1.28).

Внутренний фотоэффект нашел применение в фотодиодах. Схема включения фотодиода представлена на рисунке 1.29. Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотодиодов со структурой p – i – n граничные частоты повышаются до десятков гигагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10 – 30 В.

Рисунок 1.27 – Вольтамперные характеристики n-p перехода для

фотодиодного режима

Рисунок 1.28 – Энергетические характеристики n-p перехода

Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. В последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению.

Рисунок 1.29 – Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном

режиме

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в п – р-переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетепереходами. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС.