в чем состоит явление фотопроводимости

Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимостью называется явление, заключающееся в изменении проводимости полупроводника под воздействием электромагнитного излучения, не связанное с его нагреванием.

При освещении полупроводника в результате поглощения квантов света с энергией, превышающей энергию активации носителей, возникают дополнительные (неравновесные) носители заряда. Процесс их возбуждения называют оптической генерацией. Проводимость освещенного полупроводника s в результате оптической генерации носителей возрастает на величину:

По мере увеличения скорости рекомбинации скорость роста фотопроводимости уменьшается и спустя некоторое время устанавливается стационарная фотопроводимость, которой соответствуют стационарные концентрации неравновесных электронов Dn_ст и дырок Dр_ст, определяемые равенством скоростей генерации и рекомбинации носителей. при выключении света по той же причине фотопроводимость спадает до нуля также постепенно. Кривые нарастания и спада фотопроводимости называются кривыми релаксации фотопроводимости.

В примесном полупроводнике р-типа при выполнении условий р_о >> n_o и Dn

Фотодиоды на основе p-n перехода

При попадании кванта света, с энергией hV в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

(5.3.1)

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

(5.3.2)

(5.3.3)

То величина фототока будет:

(5.3.4)

где G темп генерации неравновесных носителей.

(5.3.5)

Здесь h–квантовый выход, a – коэффициент поглощения и φ – падающий световой поток.

Рисунок 5.4 Вольтамперная характеристика фотодиода.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной областиp-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры диффузионная длина L_p порядка 100мкн, а ширина обедненной областиp-n перехода 1мкн. Поэтому, основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики pn-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Источник

4.1. Фотопроводимость

При освещении полупроводника в нем возможно перераспреде­ление электронов по энергетическим состояниям и увеличение кон­центрации носителей заряда. Это явление называют внутренним фотоэффектом. Рассмотрим механизмы генерации носителей заря­да. Под действием света электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. В процессе взаимодействия фотона с электроном энергия фотона целиком передается электрону. По­скольку для перехода электрона из валентной зоны в зону прово­димости необходимо сообщить ему энергию, равную или большую энергии запрещенной зоны (Е₃), то энергия фотона (hv) должна быть рав­ной или большей Е₃. Энергия фотона передается электрону в виде кинетической энергии.

Механизм возникновения в полупроводнике в результате оптического возбуждения равного числа носителей заря­дов обоих знаков называют биполярной световой генерацией. В по­лупроводнике n-типа возможен, переход электронов с примесных уровней в зону проводимости. Энергия фотона в этом случае:

где – энергия ионизации примесных атомов. В полупроводнике р-типа фотоны возбуждают переходы электронов из валентной зоны на уровень акцепторов. И в этом случае энергия фотона (рис. 4.1).

Возникновение в полу­проводнике в результате оптического возбуждения неравновесных носителей заряда одного знака называют монополярной световой генерацией. Носители, возбуждаемые светом, называют фотоносите­лями. Их концентрация зависит от интенсивности и частоты излу­чения. Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием оптического излучения называют фоторезистивным эффектом. Электропроводность полупроводника, обусловленная фоторезистивным эффектом, называют фотопроводимостью.

Полная электропроводность полупроводника складывается из темновой (σ_т), осуществляемой равновесными носителями заряда, и фо­топроводимости (σ_ф):

где и – концентрации фотоно­сителей.

Рассмотрим полупроводниковую пластину с равновесной кон­центрацией носителей заряда . Если такую пластину осветить прямоугольным импульсом света Ф (рис.4.2), то стационарное зна­чение фотопроводимости будет достигнуто не сразу, а через неко­торое время от начала освещения. Под действием света скорость генерации носителей заряда возрастает. Увеличение концентрации носителей приводит к повышению скорости рекомбинации. Посколь­ку скорость генерации при постоянной интенсивности излучения не меняется, то через некоторое время скорость рекомбинации станет равной скорости генерации, и в полупроводнике установится ста­ционарная фотопроводимость.

Рис. 4.2. Изменение кон­центрации носителей за­ряда в полупроводнике n при освещении его пря­моугольным импульсом света Ф 1

Изменение концентрации носителей заряда в процессе генера­ции находим, дифференцируя концентрацию фотоносителей по в
ре­мени:

Число рекомбинирующих в единицу времени носите­лей определяется концентрацией фотоносителей и временем их жизни ( ):

Если g – количество электронов, генерируемых све­том в единицу времени, то изменение концентрации носителей за­ряда в состоянии равновесия будет описываться следующим кине­тическим уравнением:

Интегрируя это выражение, получаем:

Изменение концентрации носителей заряда при освещении под­чиняется экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни неравновесных носителей заряда.

После прекращения освещения неравновесные носители рекомбинируют, и их концентрация уменьшается вплоть до того момен­та, когда в полупроводнике установится равновесное состояние. Кинетическое уравнение приобретает вид:

Решением его будет выражение:

Концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. За время, равное времени жизни но­сителей, концентрация неравновесных носителей уменьшится в е раз.

Изменение концентрации фотоносителей ведет к изменению фотопроводимости:

Отсюда можно сделать вывод, что закон изменения фотопрово­димости такой же, как и для изменения концентрации фотоноси­телей.

На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые приборы – фоторезисторы, получившие широкое распростране­ние в автоматических устройствах сигнализации, регулирования, защиты, а также в фото- и киноаппаратуре.

Источник

Фотопроводимость полупроводников. Экситоны

Увеличение электропроводности полупроводников может быть обусловлено не только тепловым возбуждением носителей тока, но и под действием электромагнитного излучения. В таком случае говорят о фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hν ≥ ∆E), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 12, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками.

Рис. 12. Собственная (а) и примесная (б, в) фотопроводимость

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hν

Из условия hν = hc/λ можно определить красную границу фотопроводимости — максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:

для собственных полупроводников

для примесных полупроводников

Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы ‒ электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

Источник

В чем состоит явление фотопроводимости

Лабораторная работа № 404.

Ф ОТОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Цель работы: 1) определение закона релаксации фотопроводимости полупроводника;

2) определение времени жизни неосновных носителей заряда по кривым релаксации фотопроводимости полупроводника.

Приборы и принадлежности: установка для изучения релаксации фотопроводимости полупроводника.

Фотопроводимостью называется явление, заключающееся в изменении проводимости полупроводника под воздействием электромагнитного излучения, не связанное с его нагреванием.

При освещении полупроводника в результате поглощения квантов света с энергией, превышающей энергию активации носителей, возникают дополнительные ( неравновесные) носители заряда. Процесс их возбуждения называют оптической генерацией. Проводимость освещенного полупроводника s в результате оптической генерации носителей возрастает на величину:

По мере увеличения скорости рекомбинации скорость роста фотопроводимости уменьшается и спустя некоторое время устанавливается стационарная фотопроводимость, которой соответствуют стационарные концентрации неравновесных электронов D n _ст и дырок D р_ст, определяемые равенством скоростей генерации и рекомбинации носителей. при выключении света по той же причине фотопроводимость спадает до нуля также постепенно. Кривые нарастания и спада фотопроводимости называются кривыми релаксации фотопроводимости.

В примесном полупроводнике р-типа при выполнении условий р_о >> n _o и D n p _o наблюдается так называемая линейная рекомбинация носителей, и рост фотопроводимости описывается уравнением:

(1)

(2)

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ И
МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Экспериментальная установка для исследования кинетики релаксации фотопроводимости и измерения времени жизни носителей заряда t показана на рис.2.

(3)

Если кинетика релаксации фотопроводимости описывается экспоненциальным законом, то время жизни носителей заряда можно рассчитывать по формуле:

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Включить установку и подготовить осциллограф к работе в соответствии с его техническим описанием.

2. Используя «закрытый» вход осциллографа, получить на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую фототока, наблюдаемого при освещении образца прямоугольными импульсами света.

Выбором диапазона развертки Т_р и коэффициента отклонения луча К добиться того, чтобы кривая нарастания имела максимальный размер. Начало кривой (т. а на рис.1) совместить с пересечением первой левой и первой нижней линией шкалы экрана. Зарисовать кривую нарастания фототока на кальку, наложив ее на экран. Отметить на кальке оси координат и деления масштабной сетки шкалы осциллографа. Записать коэффициент отклонения луча К и коэффициент развертки Т_р.

3. Используя «закрытый» вход осциллографа, получите на экране осциллографа устойчивую релаксационную кривую фототока, наблюдаемого при выключении света.

Выбором диапазона развертки Т_р и коэффициента отклонения луча К добиться того, чтобы кривая нарастания имела максимальный размер. Начало кривой (т. б на рис.1) совместить с первой левой линией шкалы, а первую нижнюю линию совместить с касательной к кривой. Зарисовать кривую затухания фототока на кальку, наложив ее на экран. Отметить на кальке оси координат и деления масштабной сетки шкалы осциллографа. Записать коэффициент отклонения луча К и коэффициент развертки Т_р.

При необходимости релаксационные кривые можно снять по точкам, определив координаты 7 ¸ 10 точек.

4. Используя «открытый» вход осциллографа, измерить кратность изменения тока полупроводника при освещении

Здесь и токи, текущие через полупроводник при освещении и в темноте соответственно; и напряжения на нагрузочном сопротивлении, соответствующие токам и ( см. рис. 3).

Для измерения кратности установить при «закороченном» входе луч на нижнее деление шкалы осциллографа. После подключения осциллографа к нагрузочному сопротивлению (переключатель входа в положение «открытый» вход) изменением коэффициента развертки получить устойчивое изображение двух – трех импульсов фототока в пределах шкалы прибора и измерить амплитуды и ( рис.3) от нижнего деления шкалы осциллографа.

5. Определить время жизни неравновесных носителей заряда t и закон релаксации фотопроводимости.

Для определения закона релаксации и времени жизни носителей заряда постройте графики зависимости в полулогарифмических координатах, используя полученные осциллограммы. Для нарастания фототока зависимость можно на основании уравнений (1) и (3) привести к виду:

а для затухания фототока зависимость на основании уравнений (2) и (3) привести к виду:

Для определения координат точек необходимо на кривых релаксации провести оси: ось времени и ось напряжений параллельно линиям координатной сетки осциллографа. На кривой нарастания фототока оси координат проходят через точку, соответствующую включению света (т. а на рис.1). На кривой затухания фототока ось напряжения проходит через точку, соответствующую выключению света (т. б на рис.1), а ось времени совпадает с касательной к кривой релаксации в ее нижней точке.

При линейной рекомбинации носителей заряда полученные графики должны иметь вид прямой линии, проходящей через начало координат ( рис. 4).

6. Рассчитать постоянные времени релаксации t ₁ и t ₂ по формулам:

и

7. Данные измерений и вычислений занести в таблицу 1 и таблицу 2.

Таблица результатов 1

Определение закона релаксации фотопроводимости
при освещении полупроводника

Источник

Фотопроводимость. Явление фотопроводимости заключается в увеличении электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения.

В основе фотопроводимости лежит внутренний фотоэффект: увеличение концентрации свободных носителей заряда за счет их оптического возбуждения.

Следует отметить, что увеличение электропроводности при действии электромагнитного излучения может быть связано с изменение подвижности носителей заряда вследствие их перераспределения на более высокие энергетические уровни, что приводит к изменению эффективной массы носителей заряда. Однако изменение подвижности носителей заряда вносит существенный вклад в фотопроводимость только в слабо легированных полупроводниках с малой эффективной массой носителей заряда при низких температурах и малых энергиях квантов электромагнитного излучения.

Увеличение концентрации носителей заряда в полупроводниках под действием электромагнитного излучения реализуется следующим образом:

1) электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, при этом образуются как дырки, так и электроны (переход 1, рисунок 1.2);

2) электроны из валентной зоны переходят на свободные акцепторные уровни; при этом возрастает дырочная проводимость (переход 3а, рисунок 1.2);

3) электроны переходят с донорных уровней в зону проводимости полупроводника, что приводит к увеличению электронная проводимость (переход 3, рисунок 1.2).

При поглощении фотона электронно-дырочная пара получает избыточную энергию и квазиимпульс. Равновесное распределение фотоносителей по энергиям и квазиимпульсам устанавливается за время, меньшее времени нахождения в соответствующих зонах. Поэтому они успевают «термолизоваться», т.е. распределение их по энергиям и квазиимпульсам становится таким же, как для равновесных электронов и дырок.

Полная электропроводность полупроводника определяется:

, (1.3)

где , – равновесные концентрации электронов и дырок; , – неравновесные концентрации электронов и дырок (информация об электропроводности полупроводников приведена в приложении).

Она складывается из темновой электропроводности , определяемой равновесными носителями заряда, и электропроводности при действии электромагнитного излучения

. (1.4)

Пусть под действием электромагнитного излучения в полупроводнике образуются носители заряда, определяемые скоростью генерации носителей заряда G.Тогда с момента начала действия электромагнитного излучения концентрация носителей заряда в полупроводнике начнет расти по закону:

. (1.5)

Процесс роста концентрации носителей заряда не может продолжаться бесконечно из-за конкурирующего процесса – рекомбинации носителей заряда. Через некоторое время скорости генерации и рекомбинации окажутся равными и концентрация носителей заряда будет стационарной .

Обозначим время жизни фотоносителя, т.е. время, которое в среднем проводит носитель, созданный светом, в зоне проводимости или в валентной зоне, . Тогда число фотоэлектронов, рекомбинирующих в 1 сек, будет равно . В результате уравнение (1.5) с учетом рекомбинации преобразуется к виду:

; (1.6)

решением этого уравнения является:

, (1.7)

где .

Из уравнения (1.7) следует, что с течением времени неравновесная концентрация носителей заряда стремится к своему стационарному значению . Поэтому величину в этом случае называют временем релаксации фотопроводимости.

Общая концентрация электронов, включающая равновесные и неравновесные носители заряда равна:

. (1.8)

Для стационарной фотопроводимости, когда , в собственном полупроводнике, где концентрации неравновесных электронов и дырок равны, получаем:

. (1.9)

Таким образом, стационарная фотопроводимость определяется скоростью генерации, временем жизни неравновесных носителей заряда, их подвижностью. Время жизни зависит от структуры полупроводника, степени его чистоты и температуры. Оно изменяется в пределах от 10 –1 до 10 –3 с.

Скорость генерации носителей заряда зависит от расстояния х, измеряемого от поверхности полупроводника, так как плотностью потока фотонов , (с –1 ×м –2 ), падающих на поверхность образца, согласно закону Бугера–Ламберта экспоненциально убывает. Для полупроводника толщиной плотность потока фотонов, поглотившихся в полупроводнике:

. (1.10)

В случае тонкого полупроводника или малого коэффициента поглощения, , получаем:

. (1.11)

Число электронно-дырочных пар , образуемых поглощенными фотонами:

. (1.12)

Коэффициент пропорциональности называется квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. Он равен числу носителей (пар носителей), рождаемых в среднем каждым поглощенным фотоном. Он может быть больше единицы, если при поглощении одного фотона высокой энергии рождается две и более электронно-дырочных пары, и меньше единицы, если часть фотонов поглощается свободными носителями заряда.

Разделив на толщину пластины, получим скорость генерации электронно-дырочных пар в единичном объеме:

. (1.13)

Подставляя (1.13) в (1.9), получим:

. (1.14)

Выразим плотность потока фотонов через освещенность , :

, (1.15)

где – частота электромагнитного излучения.

Преобразуем уравнение (1.14) с учетом (1.15):

. (1.16)

Плотность фототока , протекающего через полупроводник длиной , под действием напряжения согласно закону Ома определяется:

, (1.17)

где – напряженность электрического поля.

Следует отметить, что на практике зависимость носит более сложный характер, так как при выводе уравнения (1.17) рассматривалась упрощенная картина процессов в полупроводниках.

После прекращения действия электромагнитного излучения процесс генерация носителей заряда прекращается и уравнение (1.6) преобразуется к виду:

. (1.18)

Решение данного уравнения с начальным условием при и имеет вид:

(1.19)

или для общей концентрации носителей заряда:

. (1.20)

Следовательно, прекращение действия электромагнитного излучения приводит к уменьшению концентрации носителей заряда, которая стремится к своему исходному значению.

По закону аналогичному уравнению (1.19) будет происходить спад фототока полупроводника (рисунок 1.6):

, (1.21)

где – стационарное значение фототока.

Из уравнения (1.21) видно, что чем больше время жизни неравновесных носителей заряда, тем медленнее происходит спад фототока. На рисунке 1.6 представлена кривая релаксации фототока полупроводника и основные ее характеристики. Данную зависимость используют для экспериментального определения среднего времени жизни неравновесных носителей заряда.

Фотовольтаические эффекты

Под фотовольтаическими (фотогальваническими) эффектами понимают возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) в полупроводнике в результате пространственного разделения оптически возбужденных носителей заряда противоположного знака. Для возникновения фотоЭДС необходимо выполнение следующих условий:

а) электромагнитное излучение должно быть неоднородным, т.е. в различных элементах объема полупроводника должно поглощаться различное количество фотонов и соответственно появляется различное количе количество фотоносителей. Наличие градиента концентрации фотоносителей вызывает диффузию и возникновение фотоЭДС при условии, что коэффициенты диффузия дырок и электронов отличаются друг от друга;

б) освещаемый полупроводник должен быть неоднородным, в этом случае распределение концентрации фотоносителей по объему полупроводника будет неравномерным и вследствие этого возникает фотоЭДС.

1.3.1 Эффект Дембера. Если на поверхности полупроводника падает электромагнитное излучение (свет), энергия квантов которого достаточна для генерации фотоносителей, при этом коэффициент поглощения достаточно велик, то электромагнитное излучение будет поглощаться в основном в приповерхностном слое полупроводника, где и будут создаваться фотоносители. Данное явление относится к случаю неоднородного освещения полупроводника. Электроны и дырки будут диффундировать в область с меньшей концентрацией носителей заряда, которая характеризуется минимальной освещенностью. В результате возникает фотоЭДС, пропорциональная разности коэффициентов диффузии носителей заряда противоположного знака. В состоянии термодинамического равновесия фотоЭДС компенсирует разность коэффициентов диффузии электронов и дырок.

Выражение для фотоЭДС Дембера имеет вид:

, (1.22)

где s_п– удельная электропроводность полупроводника в непосредственной близости от поверхности, т.е. сумма темновой электропроводности и фотопроводимости:

. (1.23)

Следует, что фотоЭДС Дембера тем больше, чем больше разность подвижностей электронов и дырок. Данное уравнение может быть применимо к примесной фотопроводимости. Эффект Дембера в определенной степени аналогичен явлению термоЭДС.

1.3.2 Фотомагнитный эффект Кикоина-Носкова. Приложим к выше рассмотренному полупроводнику магнитное поле, направленное перпендикулярно к потоку лучистой энергии и к одной из граней. В результате на электроны и дырки, диффундирующие от освещенной поверхности, будет действовать сила Лоренца:

, (1.24)

где – дрейфовая скорость носителей заряда; – напряженность магнитного поля.

Эта сила отклоняет электроны и дырки в противоположные стороны. В результате возникает поперечная ЭДС, перпендикулярная направлению магнитного поля и потока лучистой энергии. Величина ЭДС Кикоина – Носкова в состоянии равновесия определяется равенством токов, созданных ЭДС и магнитным полем.

Эффект Кикоина-Носкова аналогичен поперечному эффекту Нернста-Эттингсгаузена.

При коротком замыкании электрических контактов на гранях полупроводника образуется ток, созданный фотомагнитной ЭДС:

, (1.25)

где – число квантов света, падающих на 1 м 2 полупроводника в 1 с; L_p и L_n – диффузионная длина дырок и электронов.

Фотомагнитная ЭДС (холостого хода) определяется посредством умножения тока короткого замыкания на сопротивление образца с учётом его уменьшения за счет появления фотоносителей.

1.3.3 Вентильный фотоэффект.Вентильным фотоэффектом называют фотоЭДС, возникающую при освещении вентильного, т.е. выпрямляющего контакта. Выпрямляющими свойствами обладают контакты полупроводников различного типа электропроводности, металла с полупроводником. Полупроводниковые приборы, основанные на вентильном фотоэффекте и предназначенные для превращения световой энергии в электрическую или световых сигналов в электрические, называют фотоэлементами. Рассмотрим образование вентильной фотоЭДС при освещении с p-n-перехода.

Пусть n-p-переход освещается светом со стороны полупроводника р-типа электропроводности с энергией квантов больше энергии запрещенной зоны, что соответствует образованию электронно-дырочных пар. На рисунке 1.7 показан процесс генерации под действием квантов света носителей заряда в р-области р-п-перехода с последующей их диффузией.

Генерируемые носители заряда будут диффундировать к р-п-переходу. Электроны зоны проводимости полупроводника р-типа электропроводности под действием контактного поля переходят в зону проводимости полупроводника n-типа, при этом дырки задерживаются контактным полем и остаются в p-области. В результате происходит пространственное разделение оптически генерированных электронов и дырок, при этом акцепторный полупроводник приобретает положительный, а донорный – отрицательный заряд, что эквивалентно возникновению фотоЭДС V_ф. Последняя называется напряжением холостого хода V_хх. при разомкнутой внешней цепи.

Таким образом, под действием квантов света через p-n-переход протекает фототок, который создает на n-p-переходе разность потенциалов в пропускном направлении, уменьшающую на свою величину контактную разность потенциалов, и как вследствие этого через р-п-переход потечет ток , называемый током утечки, в обратном направлении:

, (1.26)

где – ток насыщения, обусловленный тепловой генерацией носителей заряда.

Состояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве тока утечки и фототока, протекающих через р-п-переход

. (1.27)

Выразим из этого уравнения напряжение холостого хода:

. (1.28)

При подключении к фотоэлементу на основе р-п-перехода внешней нагрузки , рисунок 1.8, фотоЭДС в р-п-переходе создается только частью носителей заряда, а другая часть носителей заряда обеспечивает ток через нагрузку.

Напряжение на нагрузке равно:

. (1.29)

Вольт-амперная характеристика вентильного фотоэлемента описывается уравнением вида:

. (1.30)

На рисунке 1.9 представлено семейство вольт-амперных характеристик р‑п‑перехода для различных значений светового потока.

Видно, что увеличение светового потока приводит к росту фототока.

Р-п-переход, смещенный в обратном направлении посредством внешнего источника питания , также может работать в фотодиодном режиме. При поглощении квантов света в р-п-переходе или в прилегающих к нему областях полупроводников образуются неравновесные электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда, образующиеся в р-п-переходе или прилегающих к нему областям, находящихся на расстоянии не превышающим диффузионной длины, диффундируют к р-п-переходу и проходят через него под действием электрического поля, рисунок 1.10. В результате под действием электромагнитного излучения обратный ток через р-п-переход возрастает на величину фототока.

На рисунке 1.11 приведена электрическая схема для исследования фото-ЭДС
р-п-перехода, работающего в фотодиодном режиме. Напряжение источника питания приложено в обратном направлении к р-п-переходу.

В фотодиодном режиме уравнение вольт-амперной характеристики р-п-перехода имеет вид:

. (1.31)

Задавая напряжение источника питания достаточно большим, можно сделать темновой ток фотодиода равным току насыщения. На фототок величина почти не влияет и даже несколько его увеличивает, т.к. увеличивается тянущее поле и уменьшается, таким образом, потери на рекомбинацию. В этом и состоит большое преимущество фотодиодов перед фоторезисторами.

Источник