Studbooks net рефераты, курсовые, дипломные

4. Принцип действия полупроводниковых фотоприемников

Принцип действия большинства полупроводниковых фотоприемников с р – n-переходом (фотодиоды, фоторезисторы и др.) основан на пространственном разделении неравновесных электронов и дырок потенциальным барьером неоднородной полупроводниковой структуры. На рисунке 2а показана энергетическая диаграмма p – n-перехода без освещения. При освещении фотонами с энергией hν>Eg происходит генерация электронно-дырочных пар (рисунок 2б).

Рисунок 2 - Энергетические диаграммы p – n-перехода
в темноте (а) и на свету (б)

Поведение неравновесных носителей зависит от того, где они возникают, т.е. в каком месте структуры поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться при засветке в широких пределах. Плотность основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся на расстоянии от p – n-перехода, меньшем длины диффузии Ln, смогут достигнуть его. Потенциальный барьер способствует переходу электронов в n-область. Аналогично, если излучение поглощается в n-полупроводнике, то через переход в p-область перебрасываются только дырки. Если же пары генерируются в области объемного заряда, то после перехода «разводит» носители заряда таким образом, что они оказываются в той области структуры, где являются основными. Таким образом, p – n-переход играет роль стока неосновных носителей заряда.

Результатом пространственного разделения неравновесных носителей заряда является уменьшение потенциального барьера перехода UD (рисунок 2б) на ΔU. Это можно представить, как следствие частичной нейтрализации объемного заряда p – n-перехода. Уровни Ферми в объеме полупроводниковой структуры оказываются смещенными друг относительно друга на величину ΔU. Разность потенциалов ΔU, возникающая на контактах диода, зависит от сопротивления внешней цепи и достигает максимального значения при ее разрыве (режим холостого хода).
Фотоэлектрические приборы с p – n-переходом могут работать в фотовентильном и фотодиодном режимах. В приборах с фотовентильным режимом работы (фотоэлементах) возникает фото-ЭДС и фотоэлемент становится источником электрической энергии. В приборах с фотодиодным режимом работы (фотодиодах) электрический переход смещается внешним напряжением в обратном направлении. Световой поток лишь увеличивает обратный ток перехода на величину фототока.
Генерация вентильной фото-ЭДС при засветке p – n-перехода является основой функционирования фотоэлектрических преобразователей энергии, например солнечных батарей и фотоприемников, работающих в вентильном режиме. Однако одним из наиболее широко используемых в фотоприемниках вариантом включения p – n-перехода является фотодиодный режим работы, когда на переход подается запирающее напряжение.