8.3.Фотоэлектрические эффекты в p-n-переходе. Влияние светового потока на вах p-n-перехода.

Фотопроводимость полупроводников возникает благодаря явлению внутреннего фотоэффекта.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням.

Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны Е, поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей зарядов - электрон и дырка, что приводит к увеличению электропроводности вещества.

Если в веществе есть примеси, то под действием света с энергией кванта

hν  Е, где Е - энергия активации примеси, электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зоны проводимости. В первом случае возникает дырочная проводимость, во втором - электронная.

Если одну из областей p-n перехода ( например, p-область) освещать светом, то в полупроводнике в результате внутреннего фотоэффекта будут появляться электронно-дырочные пары, концентрация которых уменьшается по мере удаления от освещенной поверхности. В результате диффузии электроны и дырки перемещаются к контактному переходу, где происходит их разделение: основные носители области задерживаются контактным полем, неосновные – ускоряются и свободно проходят через p- n- переход, образуя фототок I_ф, текущий от n-области к p-области (рис. 3).

Если цепь разомкнута, то на границах p- n- перехода накапливается объемный заряд, препятствующий движению неосновных носителей. Возникает фото-э. д.с. U_ф, полярность которой обратна полярности контактной разности потенциалов. Потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление тока утечки I_у, текущего от p-области к n-области (ток основных носителей) (рис. 3). Величина фото-э. д. с. растет до тех пор, пока возрастающий ток I_У не скомпенсирует ток I_ф (наступит состояние статического равновесия).

Рис. 3

Если p-n- переход замкнуть на нагрузочное сопротивление r_н, по цепи потечет ток I, который будет являться суммой двух токов :

I = I_ф – I_у (8.8)

Рис. 4

I_у определяется величиной U_н = Ir_н, а I_ф пропорционален световому потоку Фпад и равен току короткого замыкания (r=0, U_н=0, I_у=0). I_ф = I_к.з. (рис. 4).

Следовательно ток I, текущий по цепи будет зависеть от светового потока, а следовательно от расстояния l от источника света до фотоэлемента.

Таков механизм непосредственного превращения лучистой энергии в электрическую в вентильном фотоэлементе, называемом также фотогальваническим элементом.

Световые характеристики вентильных фотоэлементов зависят от нагрузки. Пи малой нагрузке I_ф линейно зависит от освещенности. При увеличении нагрузки зависимость становится нелинейной.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком

.

Законы внешнего фотоэффекта - три закона внешнего фотоэффекта: -1- максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности; -2- для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта; -3- количество электронов, испускаемых веществом за 1 с пропорционально интенсивности излучения.

При освещении p-n перехода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.

Рис 8.9. Схема включения p-n перехода для работы в вентильном режиме

В квадранте III p-n перехода работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV в фотовентильном режиме, и фотоэлемент становится источником электрической энергии. В квадранте I p–n переход смещен в прямом направлении.

Энергетическая характеристика p-n перехода связывает фототок со световым потоком, падающим на фотодиод рис. 8.9,б. При работе в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика зависит от материала полупроводника и количества примесей (рис. 8.10,а).

Рис 8.10. Спектральная (а) и частотная характеристика p-n перехода