Изучение работы полупроводникового диода, страница 4

р-n –перехода  образуется пространственный заряд ионов соответствующей примеси, который создает электрическое поле с контактной разностью потенциалов φ_к. Контактное электрическое поле вызовет дрейфовый ток неосновных носителей  (электронов из p-области в n-область, а дырок из n-области в  p-область), который в отсутствии  внешнего напряжения на p-n–переходе будет уравновешивать диффузионный ток основных носителей так, что суммарный ток через  p-n–переход будет равен нулю. Условие равновесия  p-n–перехода заключается в требованиии постоянства уровня Ферми (уровня энергии, вероятность заполнения которого электронами равна ) вдоль всего перехода (рис.1).

 При приложении  прямого напряжения к p-n–переходу, когда внешнее поле противоположно внутреннему полю перехода  (рис.2,а) величина потенциального барьера для основных носителей уменьшится, и они могут проникнуть в область кристалла с противоположным типом проводимости (инжекция неосновных носителей, например, электронов в  p-область перехода).

Расстояние,  на котором концентрация инжектированных носителей падает вследствие рекомбинации с основными в e раз, называется диффузионной длиной и обозначается L_p и L_n  для дырок и электронов соответственно.

Обратное напряжение (рис. 2,б) увеличит потенциальный барьер для основных носителей. Увеличение обратного напряжения приведет к насыщению тока, созданного неосновными носителями.

Полный ток через p-n-переход равен сумме дырочного I_p  и электронного I_n токов

I=I_n+I_p=I_s (e-1)                                (1)

Здесь q- заряд  электрона;

k- Постоянная Больцмана;

U- напряжение на p-n-переходе (берется со знаком «+» для                      прямого и со знаком «-» для обратного напряжения).

 I_s- ток насыщения

Ток насыщения диода (он же темновой ток фотодиода) переносится термически созданными парами электрон-дырка, образовавшимися на расстоянии от p-n-перехода, не превышающем диффузионную длину (предполагается, что L_p и  L_e велики по сравнению с шириной p-n-перехода).

Принцип действия фотодиода

В основе работы полупроводникового фотодиода лежат явления внутреннего фотоэффекта и разделения носителей полем p-n-перехода.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках при поглощении фотона с энергией, достаточной для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, происходит образование пары электрон- дырка.

При относительно низких интенсивностях изменение концентрации основных носителей при внутреннем фотоэффекте незначительно по сравнению с равновесной концентрацией. По этой причине изменение прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода  при освещении p-n-перехода незаметно. Для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ p-n-перехода.

Носители, созданные светом на расстоянии диффузионной длины с обеих сторон p-n-перехода (рис. 3) диффундируют к p-n-переходу и увлекаются там электрическим полем. Разделение носителей происходит по той причине, что основным носителям при движении через p-n-переход приходится преодолевать потенциальный барьер, тогда как неосновные носители попадают в ускоряющее поле и легко перебрасываются на другую сторону p-n-перехода . Кроме того происходит и разделение пар, генерированных светом в пределах p-n-перехода. В результате дырки движутся в  p-область, а электроны- в n-область, создавая электронный ток, направленный в n-область.

Суммарный фототок  неосновных носителей I=I_fn+I_fp  нарушает тепловое равновесие и заряжает p-область положительно относительно n-область (рис. 4).

 

При этом создается разность потенциалов, стремящаяся понизить величину барьера, как если бы к переходу было приложено напряжение φ в прямом направлении. Возникшее таким образом смещение p-n-перехода в прямом направлении вызывает прямой ток, образованный уже основными носителями и направленный противоположно току фотоносителей.

В случае, если внешняя цепь фотодиода разомкнута и , следовательно, внешнее напряжение отсутствует, то φ называют вентильной фотоэдс.

Вольт- амперная характеристика фотодиода

Пусть последовательно с фотодиодом (рис. 5) включен источник обратного напряжения E_вн и внешнее сопротивление R (фотодиодный режим работа прибора). В этом случае ток через p-n-переход создается потоком не- основных  носителей и определяется уравнением

I= –I_f +I_s(e-1).                              (2)

 

Знак «-» означает, что фототок фотодиода течет в обратном направлении.

Величина напряжения на переходе U является результатом совместного воздействия светового потока Φ, приводящего к возникновению фотоэдс, и напряжения источника питания E_вн. При больших отрицательных смещениях на переходе >> второе слагаемое обращается в -I_s  и

I= –I_f –I_s                                                                    (3)

В этом случае и темновой ток I_s и фототок I_f не будут зависеть от напряжения.

 При малых отрицательных смещениях

 = << ,

I≈–I_f –I_s ≈ –I_f .                                              (4)

Благодаря малой инерционности фотодиодов, а также тому, что световая добавка тока I_f  может быть получена при наличии большого нагрузочного сопротивления во внешней цепи, фотодиодный режим является основным при преобразовании световых сигналов в электрические в схемах автоматики.

Если внешнее напряжение отсутствует (вентильный режим работы фотодиода), и внешняя цепь замкнута накоротко, то U = 0, и ток во внешней цепи определяется только фототоком