2.2. Фотодиоды

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор с одним p–n-переходом называется фотодиодом.

Структурная схема фотодиода и его изображение на принципиальных схемах приведены на рис. 8.

В ольтамперная характеристика p–n-перехода (рис. 9) может быть записана в виде:

. (2.3)

При обратном смещении p–n-перехода резко возрастает потенциальный барьер для основных носителей заряда и ток через переход определяется потоком неосновных носителей, которые проходят через него под действием электрического поля Е. Темновой обратный ток через фотодиод равен I_s; при освещении обратный ток возрастает на величину I_ф за счет появления добавочных неосновных носителей заряда

I_обр = I_s+I_ф. (2.4)

В еличина обратного тока почти не зависит от приложенного напряжения. Световая характеристика фотодиода I_обр = f(Е) является линейной в широком диапазоне изменения освещенности Е. Это связано с тем, что толщина базы фотодиода существенно меньше средней длины диффузии неосновных носителей заряда l < L_n (фотодиод с “тонкой” базой). Поэтому практически все возникшие в базе в результате световой генерации, неосновные носители доходят до p–n-перехода и принимают участие в образовании фототока.

При прямом смещении p–n-перехода понижается потенциальный барьер и через p–n-переход начинает протекать ток, созданный диффузией основных носителей заряда. При напряжении U = φ_ф диффузионный ток полностью компенсирует дрейфовый ток и результирующий ток через переход равен нулю (2.2).

П ри U > φ_ф прямой ток быстро возрастает и вольтамперные характеристики освещенного и затемненного фотодиодов практически совпадают.

В большинстве применений фотодиоды используют в режиме обратного смещения p–n-перехода (рис. 10). Если световой поток модулирован, то на сопротивлении нагрузки R_н появляется напряжение сигнала, пропорциональное изменениям светового потока.

Одним из основных параметров фотодиода является интегральная чувствительность

К_ф = I_ф/Ф. (2.5)

Преимуществом фотодиодов по сравнению с фоторезисторами является их малая инерционность. Инерционность диффузионных диодов определяется в основном временем диффузии неосновных носителей заряда через базу и имеет порядок десятков наносекунд.

Спектральная характеристика фотодиодов (рис. 3) при больших длинах волн ограничивается шириной запрещенной зоны λ_порог = hc/ΔW. В области малых длин волн – большим показателем поглощения и увеличением скорости поверхностной рекомбинации с уменьшением длины волны.

Фотодиоды находят широкое применение в измерительной технике (фотометрия), автоматике, устройствах сигнализации, волоконно-оптических линиях связи, вычислительной технике (фотосчитывающие устройства CD, сканеры), и т.д. Перспективным направлением является изготовление фотодиодов на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник или гетероперехода. Это позволяет повысить их быстродействие, увеличить чувствительность и получить более широкую спектральную характеристику.

2.3. Полупроводниковые фотоэлементы

В полупроводниковом фотоэлементе с p–n-переходом происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую. Структура кремниевого фотоэлемента приведена на рис. 11. Он представляет собой плоскую пластину кремния с электропроводностью р-типа, на поверхности которой создан тонкий слой с проводимостью n⁺-типа. Высокая проводимость этого слоя позволяет создать омический контакт в виде кольца или рамки на нижней поверхности фотоэлемента, оставив всю верхнюю поверхность кристалла открытой для освещения.

Вольтамперная характеристика фотоэлемента аналогична ВАХ фотодиода (рис. 9). Части кривых, расположенные в третьем квадранте (при обратном напряжении) соответствуют фотодиодному режиму работы p–n-перехода; части кривых, расположенные в четвертом квадранте – режиму генерации фото-ЭДС.

Ф отоэлемент работает без внешних источников питания, а сам является источником электрической энергии (четвертый квадрант на ВАХ p–n-перехода (рис. 12). Если к фотоэлементу подключить внешнюю нагрузку (рис. 13), то при освещении p–n-перехода по цепи потечет ток. Точки пересечения ВАХ с осью токов (U = 0) соответствуют значениям токов короткого замыкания (R_н = 0). Из уравнения (2.3) при U = 0 и уравнения (2.5) получим

I_кз = –I_ф = –K_инт Ф. (2.6)

Ток короткого замыкания зависит от площади фотоэлемента I_кз = –K_λЕS. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания I_кз/S = 20÷25 мА/см² = 200÷250 А/м² при средней освещенности солнечным светом.

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений (при R_н = ∞) соответствуют значениям фото-ЭДС φ₀ или напряжениям холостого хода U_хх. Приняв в уравнении (2.3) I = 0, можно найти напряжение холостого хода:

. (2.7)

где I_s = I_nE+I_pE – обратный ток p–n-перехода.

Формула (2.7) справедлива, пока концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда. При большой интенсивности света максимальное значение фото-ЭДС стремиться к величине контактной разности потенциалов p–n-перехода φ₀.

У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0.5÷0.55 В. Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания, которые зависят от площади p–n-перехода фотоэлемента.

По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки R_н опт, при котором в нагрузке будет выделяться максимальная мощность Р_max. Для этого необходимо провести нагрузочную прямую из начала координат I = ‑U/R_н (рис. 12). Точка пересечения ВАХ с нагрузочной прямой определяет напряжение U_н и ток нагрузки I_н. Мощность выделяемая в нагрузке P_н = U_н∙|I_н|.

Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке U_н = 0.35÷0.4 В и J = 15÷20 мА/см². Таким образом, при средней освещенности электрическая мощность с одного квадратного сантиметра фотоэлемента составляет P = 5÷8 мВт.

Световые характеристики фотоэлемента рис. 14 показывают зависимость напряжения холостого хода U_хх = φ_ф и тока короткого замыкания I_кз = I_ф от освещенности, создаваемой лампой накаливания с температурой вольфрамовой нити Т = 2842 К: U_хх = f(E) и I_кз = f(E). Зависимость I_кз от освещенности в широких пределах изменения освещенности линейна (рис. 14, сплошная линия), а напряжения холостого хода пропорциональна логарифму освещенности (рис. 14, штриховая линия).

О тношение К_инт = I_кз/E называется интегральной чувствительностью фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света I_кз = f(λ) при Е = const. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов (рис. 3) почти совпадает с максимумом спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.

Коэффициент полезного действия фотоэлемента η = Р_max/Р_ф, где Р_ф – мощность светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Теоретический предел КПД, кремниевого солнечного фотоэлемента составляет 23%.

Уменьшение КПД фотоэлементов происходит из-за частичного отражения излучения от поверхности полупроводника, поглощения квантов света без образования пар электрон – дырка, рекомбинации неравновесных носителей до их разделения электрическим полем в p–n-переходе, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате КПД кремниевых фотоэлементов, выпускаемых промышленностью, составляет порядка 12%. Для увеличения КПД можно изготовить фотоэлемент на основе гетероперехода.