Часть генерируемых носителей, которые доходят до р-п перехода, разделяется полем перехода; при этом неосновные носители проходят через область перехода, а отловные носители остаются. В результате такого разделения в я-области кристалла будут накапливаться избыточные электроны, а в р-области — избыточные дырки. Скопление избыточных носителей приведет к тому, что /г-область зарядится отрицательно, а р-область — положительно. Образующееся при этом дополнительное электрическое поле, противоположное существующему полю р-п перехода, снижает высоту потенциального .барьера, как и в случае прямого смещения р-п перехода. Величина, на которую снижается высота потенциального барьера, представляет собой фото-э. д. с, которую генерирует р-п переход под действием излучения. Величина фото-э. д. с. зависит от интенсивности потока излучения, ширины запрещенной зоны и сопротивления нагрузочного резистора Яя, включенного во внешнюю цепь фотоприемника (ФП). Если цепь ФП разомкнута (/?н = °°), то все избыточные, разделенные р-п переходом носители скапливаются у р-п перехода, снижают потенциальный барьер на максимально возможную величину, а следовательно, создают максимальное значение фото-э. д. с, равное напряжению холостого хода Ux х-Если ФП замкнут накоротко (/?н = 0), то разделенные переходом носители будут циркулировать через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимально возможное значение тока короткого замыкания /к з. При этом у р-п перехода скопления избыточных зарядов не возникает. Потенциальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в равновесном состоянии р-п перехода и Ux х = 0. Если ФП замкнут на конечное сопротивление /?н, то часть разделенных носителей за-
5
тратит свою энергию на снижение потенциального барьера, т. е. на создание напряжения UB, а оставшаяся часть избыточных носителей создаст ток /н через нагрузку.
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ
В р- и я-ОБЛАСТЯХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОПРИЕМНИКОВ
Под действием излучения генерация электронно-дырочных пар происходит на различном расстоянии от поверхности в зависимости от того, на какой глубине поглощается излучение. Так, например, для кремния коротковолновое излучение поглощается в очень тонкой, прилегающей к поверхности области и для п-р структуры, как правило, в /г-области ФП, т. е. до р-п перехода, п-р структура ФП состоит из тонкой /г-области, на которую падает излучение, и более толстой р-области, разделенных областью объемного заряда (р-п переходом). Длинноволновое излучение проникает в кремний глубже и в зависимости от длины волны поглощается либо в области объемного заряда, либо в толще полупроводника р-тииа.
Если все электронно-дырочные пары, созданные падающим на прибор излучением, разделяются полем р-п перехода и создают ток во внешней цепи, то эффективность преобразования по току будет максимальной. Эффективность проникающего в полупроводник излучения характеризуется коэффициентом собирания носителей Q, представляющим собой отношение числа разделенных полем р-п перехода носителей к числу проникающих в полупроводник фотонов:
где N— число проникающих <в полупроводник фотонов; q — заряд электрона.
При этом предполагается, что один фотон создает в полупроводнике одну электронно-дырочную пару, т. е. квантовый выход фотопреобразования равен единице. Такое предположение справедливо, если энергия фотона меньше чем 2 Д£, но больше AE(AE<hv< <2Д£), где h — постоянная Планка, v — частота излучения. Для идеального ФП коэффициент собирания равен единице во всем диапазоне длин волн, к которому чувствителен данный полупроводник, т. е. в области собственного поглощения. В реальных же приборах за сче1 различных потерь он меньше единицы. Это отличие вызвано еще и тем, что часть созданных излучением носителей рекомбинирует один с другим или на примесных центрах, не доходя до р-п перехода. Потери носителей на рекомбинацию зависят от структуры ФП, геометрических толщин р- и /г-областей, распределения концентрации примесей ,в р- и /г-областях, диффузионных длин неосновных носителей и др.
р-п структура фотоприемника с однородным распределением примеси. Если ФП имеет структуру с однородным распределением концентрации примеси как в /?-, так .и в /г-области, то генерируемые светом носители движутся только под влиянием диффузии. Поэтому для такого типа ФП считается, что полем р-п перехода разделяется только та часть носителей, которая генерируется на расстоянии от перехода, равном или меньшем диффузионной длины в р- и л-обла-
6
a=Va/>
Рис. 1. Спектральная зависимость коэффициента собирания ФП.
сти. Чем дальше от р-п перехода создана пара, тем с меньшей вероятностью она будет разделена и даст ток во внешней цепи. Так как пары создаются как в дырочной, так и в электронной частях р-п перехода, то коэффициент'собирания ФП будет состоять из двух частей: Q = Qn-{-Qp, где Qn — коэффициент собирания электронов, созданных в /^-области; Qp — коэффициент собирания дырок, созданных в /г-области.
Характер экспериментальных зависимостей Q, Qn и QP от длины волны представлен на рис. 1. Спад Qn в коротковолновой части спектра связан с влиянием потерь на рекомбинацию в объеме (объемная) и на поверхности ФП (поверхностная рекомбинация), aq Спад Qn в области коротких длин волн вызван уменьшением потока излучения, достигающего /7-области. Спад в длинноволновой области спектра обусловлен уменьшением поглощения квантов излучения в /г-слое и в активной части /г-слоя (на расстоянии Ln от р-п перехода), т. е излучение проходит вглубь, слабо поглощаясь. Относительное расположение и величины максимумов кривых Qn и Qp зависят от соотношения между геометрическими толщинами р- и /г-областей и диффузионными длинами Ln и Lp неосновных носителей в этих областях. Вид кривой Qp, кроме того, зависит и от скорости поверхностной рекомбинации s Таким образом, положение максимума кривой Q у разных ФП может довольно сильно отличаться.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.