6.2.Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.

6.2.1.Воздействие света наp-n-переход

При воздействии электромагнитного излучения на полупроводник вблизи p-n-перехода образуются добавочные (неравновесные) носители, под действием диффузионного электрического поляp-n-перехода они разделяются: фотоэлектроны переходят вn- область, а фотодырки - в p- область (рис. 6.3). Это явление называютфотоэффектом в p-n-переходе (а также вентильным фотоэффектом или фотовольтаическим эффектом).

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- , а дырок в p- области) сопровождаются снижением высоты потенциального барьера на границеp- и n- областей и увеличением диффузии основных носителей через переход. Наступает динамическое равновесие. При этом междуp- и n- областями полупроводника устанавливается некоторая разность потенциалов. Этуразность потенциалов, возникшую между p- и n- областями полупроводника в результате воздействия на p-n - переход излучения, называют фото-ЭДС,или напряжением холостого хода ().Значение фото-ЭДС может достигать величины1 В, но не превышает значения, численно равногоЕ/q(Е- ширина запрещенной зоны исходного полупроводникового материала,q– элементарный заряд).

Вольт-амперная характеристика освещенного p-n-перехода может описана уравнением

, (6.2.1)

где I_ф– фототок, т.е. ток, созданный возбужденными светом носителями.

На рис. 6.4 приведены вольт-амперные характеристикиp-n- перехода, при различных значениях освещенностиЕ^*. При отсутствии светаЕ^*=0, I_Ф=0,и вольтамперная характеристика проходит через начало координат. Кривые, соответствующие определенным значениям освещенностиЕ₁^*, Е₂^*, смещаются по оси ординат на отрезки -I_Ф1, - I_Ф2 соответственно.

На вольт-амперной характеристике p-n-перехода, на который воздействует электромагнитное излучение с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, фотодиодному режиму работы соответствует часть характеристик, расположенная в третьем квадранте. В рабочем диапазоне напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, а зависят от освещенности.

Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-ЭДС) соответствует часть характеристик, расположенная в четвертом квадранте. Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжениям холостого хода - U_хх). Фото-ЭДС при слабых световых потоках пропорциональна освещенности, а при больших потоках стремится в постоянному значению. От площадиp-n-перехода фото-ЭДС не зависит. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС примерно равна 0,5 В.

Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью токов соответствуют токам короткого замыкания. Ток короткого замыкания пропорционален световому потоку (при небольших потоках), а значит, площади p-n-перехода. Поэтому часто приводят значения плотности тока короткого замыкания. Так, например в кремниевых фотоэлементах плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом составляет 20-25 мА/см². Световые характеристикиp-n-перехода приведены на рис 6.5.