Фотогальванический эффект в p-n переходе и его применения

Фотогальванический эффект заключается в возникновении электрического тока (фототока) при освещении полупроводникового p-n перехода, включенного в замкнутую цепь, или возникновении ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой внешней цепи (фотоЭДС). Физическая природа фотогальванического эффекта связана с поглощением света полупроводником при одновременной генерации подвижных носителей – электронов и дырок.

Прибор, основанный на фотогальваническом эффекте, называется фотодиодом. Основой такого прибора является мелкий (глубиной 3…5 мкм) p⁺-n переход в эпитаксиальной пленке Si или Ge (рис. 5.16, а). Небольшая глубина p⁺-n перехода необходима для уменьшения поглощения светового потока Ф, достигающего перехода. С целью снижения объемного сопротивления кристалла эпитаксиальная пленка n-типа проводимости выращивается на подложке сильно легированного кремния или германия n⁺ типа проводимости.

Процессы, происходящие в p⁺-n переходе под воздействием света иллюстрируются  с помощью энергетической зонной диаграммы перехода, представленной на рис. 5.16, б. Свет с энергией hν попадает в полупроводник через специальное окно, созданное на поверхности p⁺ -слоя. В результате освещения в p⁺-n переходе и прилегающих областях генерируются избыточные носители заряда – электроны и дырки.

Под воздействием внутреннего электрического поля Е в p⁺-n переходе электроны будут перемещаться в n-область, а дырки – в p⁺- область, где происходит их накопление. При отсутствии источника обратного смещения накопление основных носителей заряда в p⁺и n- областях ведет к снижению потенциального барьера между этими областями до значения φ_к-U_хх , где U_хх - величина фотоЭДС. В p⁺-n переходе появляется фототок j_ф, направление которого совпадает с направлением обратного теплового тока j₀. В свою очередь снижение потенциального барьера в переходе на величину U_хх приводит к увеличению диффузионного тока j_диф неосновных носителей заряда через p⁺-n переход. Сравнивая  выражения (4.7) и (4.12), для величины этого тока получим соотношение

.                                      (5.14)

Диффузионный ток j_диф направлен навстречу сумме токов  j_ф+ j₀. Поскольку, как уже отмечалось выше (п. 4.1.1) через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, то есть

j_диф=j_ф + j₀.                                               (5.15)

Возможны несколько вариантов включения p⁺-n перехода во внешнюю электрическую цепь.

При коротком замыкании внешних выводов p⁺-n перехода из выражений (5.14) и (5.15) следует, что величина фототока равна

.                           (5.16)

При фиксированном значении освещенности поверхности полупроводникового перехода значение фототока j_ф является параметром.

При разомкнутых выводах p⁺-n перехода на выводах появляется фотоЭДС U_ф =U_хх, величина которой рассчитывается из соотношения (5.16):

.                                       (5.17)

Появление фотоЭДС на выводах p-n перехода при освещении его светом носит название фотовольтаического эффекта.

При подключении к освещенному p⁺-n переходу источника обратного смещения c напряжением U ток в цепи будет равен

,                                            (5.18)

где .

Подставляя значение j_p-n в  формулу (5.18), получим, что величина тока через освещенный  p⁺-n переход определяется из выражения

.                     (5.19)

При значениях обратного напряжения |U|>>φ_т равенство (5.19) можно записать в виде

.                                                 (5.20)

Из формулы (5.20) следует, что при освещении p⁺-n перехода, находящегося под обратным смещением, величина обратного тока возрастает на величину фототока j_ф.

В качестве примера на рис. 5.17 представлено семейство вольтамперных характеристик построенных в соответствии с выражением (5.19) для различных значений световых потоков,Ф, падающих на  p⁺-n переход.

Видно, что при величине светового потока Ф₀=0 ВАХ имеет обычный вид. При Ф≠0 графики ВАХ смещаются вниз на отрезки, равные –j_фi. Различают два основных режима работы освещенного p-n перехода.

Фотодиодный режим реализуется при приложении к p-n переходу обратного напряжения смещения. При последовательном подключении нагрузки между  p-n переходом и источником питания, в нагрузке протекает фототок, пропорциональный интенсивности освещения.

Режим генерации фото ЭДС осуществляется без подключения внешнего напряжения. Ему соответствует квадрант 4  вольтамперной характеристики (рис. 5.17). Этот режим применяется в солнечных батареях (элементах).

Включение p-n перехода фотодиода в прямом направлении  практически не используется (1 квадрант ВАХ).