максимально возможный ток короткого замыкания, а напряжение на клеммах батареи станет равным нулю. Если во внешней цепи стоит сопротивление R, (рис.6в), то в цепи потечет ток Iф и на сопротивлении возникнет напряжение UR = Iф*R. На такую величину
=Iф*R (3)
уменьшится высота потенциального барьера, т.к. разделенные избыточные заряды создают как падение напряжения на p-n-переходе, так и напряжение на выводах фотодиода. На такую же величину опустится уровень Ферми в p-области по сравнению с уровнем Ферми в n-области.
2.3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОДИОДА.
ВАХ фотодиода
Рассмотрим вначале фотодиод в отсутствии освещения, но в темноте при приложении к нему внешнего напряжения. Здесь мы получим ВАХ диода качественным способом, что поможет нам лучше разобраться в токах, протекающих через диод. На рис.7а показана зонная диаграмма p-n-перехода в отсутствии внешнего напряжения. При этом диффузионные и дрейфовые токи, создающие p-n-переход, компенсируют друг друга, поэтому в дальнейшем их можно не учитывать. Но при приложении сколь угодно малых напряжений, когда высота барьера еще практически не изменится, через p-n-переход будут протекать темновые токи (рис.7а). Справа налево в зоне проводимости будет протекать ток Is, который определяется концентрацией электронов n2, или расстоянием от дна зоны проводимости до уровня Ферми - Ес2 - F2 (см. ур.1). Слева направо могут проходить только те электроны, энергия которых относительно дна зоны проводимости Ес1 превышает высоту барьера K=Ес2-Ес1. Электроны n1, находящиеся на дне зоны проводимости, не могут преодалеть потенциальный барьер. При очень малых приложенных напряжениях общий ток практически равен нулю,т.е. на рис.7а слева направо также протекает ток Is. Эти же самые соображения можно применить и к токам, обусловленным движением дырок в валентной зоне.
а б в
Рис.7. Энергетические диаграммы фотодиода в темноте: а) в отсутствии напряжения, б) при отрицательном приложенном напряжении,в)при положительном приложенном напряжении.
Приложим к p-n-переходу обратное(запорное) напряжение U<0 (рис.7б). Тогда высота барьера увеличится на qU. Так как приложенное напряжение не меняет концентрации электронов n2 , то и Ес2-F2 также не меняется. Уровень Ферми сдвигается вверх также на величину qU. Справа налево по прежнему будет протекать тот же самый ток электронов Is, поэтому этот ток получил название тока насыщения. Однако ток электронов слева направо резко уменьшится из-за увеличения высоты барьера на qU. Так как концентрация электронов, которые могут пройти слева направо над потенциальным барьером экспоненциально зависят от высоты барьера согласно функции Ферми-Дирака, то слева направо теперь будет протекать электронный ток I=Isехр(eU/kT). Напомним, что обратное напряжение U считается отрицательным. Общий ток будет равен разности двух потоков электронов
I= Is(ехр(eU/kT)-1) (4)
Приложим теперь к диоду положительное (прямое) напряжение,(рис.6в). Потенциальный барьер уменьшится на величину eU, так что поток электронов слева направо через барьер возрастет в ехр(eU/kT) раз. Так насыщения при этом опять таки не изменится, так как концентрация электронов n2 в p-области не зависит от напряжения. Общий ток так же будет описываться ур.(4), но теперь приложенное напряжение - положительно. Этот ток через барьер называется инжекционным током, т.к. происходит инжекция электронов через барьер из n-области в p-область.
Если фотодиод осветить, то через p-n-переход будет протекать еще ток, созданных светом дырок, рис.5. Этот ток Iф так же приводит к изменению(уменьшению) высоты барьера, рис.6. Независимо от причины изменения высоты барьера, внешнее напряжение или освещение, инжекционный ток будет описываться ур.(4), где вместо U надо подставить f. Величина f - это изменение (уменьшение) высоты барьера или просто падение напряжения на p-n-переходе. Полный ток через барьер будет равен разности тока Iф и инжекционного тока
I = Iф - Is(ехр(ef/kT)-1) (5)
За положительное направление тока в полупроводниковом
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.