Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Фото-э.Д.С.

Рассмотрим воздействие света на объем полупроводника в области p-n-перехода.

Электронно-дырочный переход (p-n- переход), как уже отмечалось, является областью монокристаллического полупроводника, в которой происходит смена проводимости с электронной на дырочную. Такой переход образуется в полупроводниковом кристалле, одна часть которого легирована акцепторной примесью (р-область), а другая – донорной (n-область). В области p-n- перехода существует двойной электрический слой неподвижных объёмных зарядов, а именно: ионов акцепторной и донорной примеси. Этот двойной слой создает контактное (диффузионное) электрическое поле и потенциальный барьер для основных носителей высотой q_к (_к - контактная разность потенциалов).

Пусть энергия световых квантов больше или равна ширине запрещенной зоны (), тогдав области p-n - перехода образуются пары неравновесных носителей тока: фотоэлектроны и фотодырки.

Под действием контактного электрического поля происходит разделение образовавшихся неравновесных носителей: фотоэлектроны переходят в n-область, а фотодырки вp-область (рис.5).

Перешедшие в n-область фотоэлектроны создают в ней избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, т.е. заряжаютn- область отрицательно. Фотодырки заряжаютp - область полупроводника положительно.

Процесс накопления неравновесных носителей (электронов в n- , дырок вp-области) сопровождаются снижением высоты потенциального барьера на границеp-иn-областей и увеличением диффузии основных носителей через переход. Наступает динамическое равновесие. При этом междуp-иn-областями полупроводника устанавливается некоторая разность потенциалов_ф.

Разность потенциалов _ф, возникшую междуp-иn-областями полупроводника в результате воздействия наp-n-переход излучения называютфото-Э.Д.С.. Она может достигать величины 1 В, но не превышает значения, численно равного(Е– ширина запрещенной зоны исходного полупроводникового материала,q– заряд электрона).

Явление вентильного фотоэффекта используют в различных фотоэлектрических приборах. Фотоэлектрический прибор с электронно-дырочным переходом может работать в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы прибора с внешним источником питания называют фотодиодным, а без внешнего источника – режимомгенерации фото-Э.Д.С.

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения называетсявольтамперной характеристикой. Уравнение вольтамперной характеристикиp-n-перехода при воздействии на него квантов света можно записать в виде:

, (5)

где U– внешнее напряжение, приложенное кp-n-переходу;i₀– значение, к которому стремится обратный токp-n-перехода при увеличении обратного напряжения при отсутствии освещения;i_ф– фототок, т.е. ток, созданный возбуждёнными светом носителями.

На рис.6 приведены вольт-амперные характеристики p-n-перехода, при различных световых потокахФ. При отсутствии освещенияФ=0,i_Ф=0и вольтамперная характеристика проходит через начало координат, т.е. имеет обычный вид. Кривые, соответствующие определенным световым потокамФ₁и Ф₂, смещаются по оси ординат на отрезки–i_ф1 и - i_ф2 соответственно.

При достаточно больших прямых напряжениях ток через переход определяется слагаемым в выражении (5), содержащим экспоненциальный множитель , и практически не зависит от величины падающего светового потока. При достаточно больших обратных напряжениях (участокdcвольтамперной характеристики) экспоненциальный член становится пренебрежительно малым; величина обратного тока равна:

/i_обр/=i₀+i_ф . (6)

Выражение (6) позволяет определить величину фототока через переход.

Световые характеристики p-n-перехода приведены на рис.7.