Введение. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы

Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.

Лабораторная работа №5.

Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.

Цель работы: Изучение принципов работы и использования полупроводниковых диодов в качестве фотоэлементов и приемников оптического излучения.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями полупроводниковых фотодиодов на основе p-n перехода.

2. Исследовать характеристики фотодиода в фотогальваническом и фотодиодном режиме работы.

Сведения из теории.

Введение.

Полупроводниковый фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Фотоэлемент работает без внешних источников питания, он сам является источником электрической энергии.

Приемники оптического излучения (фотоприемники), представляют собой устройства, в которых под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это изменение и измерить его характеристики. Фотоприемники преобразуют энергию оптического излучения в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую и т. п.), более удобную для измерений. По принципу действия все фотоприемники подразделяются на две группы: тепловые, интегрирующие результаты воздействия излучения за длительное время, и более быстродействующие – фотоэлектрические. Последние делятся в свою очередь на три вида в зависимости от тех явлений, которые используются при их построении:

- внутренний фотоэффект – изменение электропроводности вещества при его освещении;

- фотоэффект в запирающем слое (p-n переход, контакт металл-полупроводник) – возникновение или изменение величины ЭДС на границе двух материалов под действием света;

- внешний фотоэффект - испускание веществом электронов под действием света.

Полупроводниковый диод. P-n переход (Фотоэффект в p-n переходе).

В p-n переходе полупроводникового диода (см. рис.1, а)), как известно, существует потенциальный барьер, обусловленный электрическим полем ионизованных примесей (положительными ионами донорной примеси в n -области и отрицательными ионами акцепторной примеси в p -области), которое появляется в результате диффузии основных носителей заряда при возникновении контакта р - и n - полупроводников. В состоянии термодинамического равновесия плотность диффузионного тока основных носителей заряда уравновешена плотностью дрейфового тока неосновных носителей заряда и суммарный ток через p-n переход равен нулю(т.е., если в отсутствии освещения закоротить наружные концы двух областей p-n перехода, то тока в цепи не будет). Положение уровня Ферми во всей системе постоянно и энергетическая схема p-n перехода имеет вид, изображенный на рис.1, а). При принятом на рисунке обозначении токов условие равновесия запишется в виде:

(1)

В этом равенстве каждая пара токов электронов и дырок равна нулю:

(2)

так как количество переходящих носителей заряда в прямом и обратном направлении при термодинамическом равновесии равны. Потоки же неосновных носителей заряда – электронов из p -области и дырок из n -области есть не что иное, как электронная и дырочная составляющие тока насыщения в вольт-амперной характеристике диода. Полный ток насыщения при этом равен

(3)

Напомним также, что в случае подключения к p-n переходу внешнего напряжения прямой полярности (плюс со стороны p -полупроводника, минус со стороны n -полупроводника) потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается и, следовательно, число основных носителей заряда, способных проникнуть через p-n переход резко возрастает, хотя при этом поток неосновных носителей не изменяетсятся. В результате через контакт идет ток в прямом направлении.

Внешнее поле обратной полярности складывается с внутренним полем запирающего слоя. При этом для ток диффузии основных носителей еще более уменьшается и при некотором значении обратного смещения прекращается. Обратный ток, создаваемый теперь только неосновными носителями, достигает своего насыщения. На рис.2 (кривая 1) представлена вольт-амперная характеристика неосвещенного p-n перехода.

Фотоэффект в p-n переходе (Фотогальванический режим).

Рассмотрим теперь p-n переход, на который падают фотоны с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны (рис.1, б)). В результате поглощения фотона возникает электронно-дырочная пара. Под действием внутреннего поля в p-n переходе созданные светом неравновесные носители заряда движутся в противоположных направлениях: дырки – в p -область, а электроны – в n -область и создают добавочную плотность тока – так называемый фототок J_f (см. кривую 2 на рис.2.). Другими словами, с точки зрения энергетической диаграммы p-n перехода (см. рис.1 б)) неравновесные электроны ”скатываются” с потенциального барьера и попадают в в n -область, а неравновесные дырки, наоборот, ”всплывают” и попадают в p -область. В результате накопления электронов в n -области и дырок в p -области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов – так называемая фото-ЭДС (U на рис.1, в)), направленная противоположно исходному барьеру p-n перехода.

Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно с накоплением дырок в p -области и электронов в n -области происходит понижение высоты потенциального барьера φ_к на значение возникшей фото-ЭДС U. Уменьшение высоты потенциального барьера, т.е. уменьшение суммарной напряженности электрического поля в p-n переходе ухудшает ”разделительные свойства” перехода. Кроме того, электроны из n -области и дырки из p -области, преодолевая пониженный потенциальный барьер е(φ_к- U) будут переходить соответственно в p - и n -области, создавая так называемые токи утечки. Стационарное состояние установится тогда, когда число создаваемых светом электронно-дырочных пар (фототок) сравняется с числом основных носителей заряда, уходящих через пониженный потенциальный барьер p-n перехода (токиутечки).

Возникновение фото-ЭДС в вентильном, т.е. выпрямляющем контакте при его освещении называется вентильным фотоэффектом, а сама фото-ЭДС носит название вентильной.

Кроме составляющей фото-ЭДС, которая возникает из-за разделения носителей заряда электрическим полем p-n перехода могут быть и другие составляющие. При освещении полупроводника появляется градиент концентрации электронов и дырок, которые диффундируют от освещаемой поверхности в глубь полупроводника. Но коэффициенты диффузии электронов и дырок различны. Поэтому возникает вторая составляющая фото-ЭДС. Кроме того, при наличии на освещаемой поверхности полупроводника ловушек захвата носителей одного знака возникает третья составляющая фото-ЭДС в результате диффузии в глубь полупроводника носителей заряда другого знака.

Таким образом, освещенный p-n переход действует как фотоэлемент и может осуществлять непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую (например, при создании солнечных батарей).

Поиск по сайту: