3) Если электронно-дырочная пара возникла в p-n переходе, то поле объемного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки в p-область, электроны в n-область.
Таким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в p-области и, аналогично, электронов в n-области, что создает дополнительную разность потенциалов.
Накопление неравновесных носителей заряда в соответствующих областях не может продолжаться бесконечно, так как разделенные электроны и дырки продолжают притягиваться друг к другу (обратный ток). Они создают электрическое поле, которое понижает высоту потенциального барьера между n и p областями на величину возникающей фото-ЭДС. Это понижение барьера уменьшает величину разделяющего поля в p-n переходе и увеличивает обратный ток (аналогично прямому включению p-n перехода).
Плотность тока через фотодиод.
Вдали от p-n перехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, попадают в область p-n перехода, так как время пути до перехода может превышать время жизни электрона в зоне проводимости (расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега). На этом пути возможны следующие виды рекомбинации носителей заряда: 1) зона-зона, 2) ловушки захвата (дефектные или примесные уровни) и 3) центры рекомбинации.
Таким образом, плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов и дырок в p- и n-областях, соответственно, и электронно-дырочных пар, появившихся в p-n переходе:
где g – количество электрон-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площади p-n перехода.
Основные характеристики фотоэлемента.
1. ВАХ.
Основной характеристикой фотоэлемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), получаемая при замыкании электрической цепи с фотоэлементом в роли источника напряжения. Изменение напряжения и тока на фотоэлементе при постоянном уровне его освещения осуществляется изменением нагрузочного сопротивления.
При замыкании контактов фотоэлемента через нагрузочное сопротивление, по цепи пойдет ток. Этот ток является обратным, так как он направлен против электрического поля, возникающего внутри фотоэлемента между электронами и дырками, (ток идет в обход потенциального барьера).
Известно, что без наличия фотоэффекта и в присутствии внешнего источника электрического поля в цепи, p-n-переход является диодом и обладает диодной ВАХ. Теперь, если заменить этот внешний источник на сам фотоэлемент, генерирующий прямое напряжение на p-n-переходе, получится что обратный ток как бы "мешает" этому "универсальному диоду" и своим присутствием понижает уровень ВАХ. Таким образом, ВАХ фотоэлемента в начальной области прямого напряжения окажется отрицательной и будет иметь форму дуги, соединяющей точки нулевого напряжения (ток короткого замыкания, R=0) и нулевого тока (напряжение холостого хода, R=∞). Величину дуги ВАХ определяет величина обратного тока, то есть скорость фотогенерации носителей тока, которая зависит от освещенности фотоэлемента.
Остальные участки ВАХ нормального диода экспериментально на такой электрической схеме (фотоэлемент с нагрузочным сопротивлением) получить невозможно, так как напряжение всегда положительно и всегда меньше напряжения холостого хода. Поэтому ток фотоэлемента считается положительным и его ВАХ переворачивается (рис. 3).
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика при разных интенсивностях света J.
Точка пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений соответствует значению фото-ЭДС (т.е. напряжению холостого хода, Uxx). ВАХ сильно зависит от освещенности фотоэлемента: для кремниевого фотоэлемента при разных освещенностях фото-ЭДС имеет порядок ~0,5 – 0,55 В.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.