Фотодіоди - Розрахунок залежності фото електрорушійної сили напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

конструкції фотодіодів (а); структура(б); умовне графічне позначення фотодіодів(в)

Рисунок 5. Конструкції фотодіодів (а); структура(б); Умовне графічне позначення фотодіодів(в)

Фотодіод являє собою напівпровідниковий фотоелектричний пристрій, що містить p-n-перехід, та використовуючи явище внутрішнього фотоефекта. Фотодіоди мають різну конструкцію, різне призначення і різні параметри, але в більшості випадків структура фотодіода буває такою, як показано на рисунку 5 б. На принципових схемах фотодіод, зображується символом, показаним на рисунку 5 в.

Фотодіод можна використовувати в двох різних включеннях: фотодіодному і фотогальванічному.

Фотогальванічне включення (рисунок 6) пропонує використовувати фотодіод як джерело фото ЕРС, тому в цей час його називають напівпровідниковим фотоелементом.

фотогальванічне включення фотодіода

Рисунок 6. Фотогальванічне включення фотодіода

Розглянемо процес виникнення фото ЕРС в Фотодіоді (рисунок 7). В відсутності освітлення фотодіода концентрація носіїв в його обох областях буде рівноважною, а отже ніяких різниці потенціалів між областями не буде. Якщо освітити напівпровідник променями світла, то в результаті поглинання енергії фотонів буде утворюватися пари "електрон-дірка". Дірки в області р являються основними носіями, тому поле p-n-переходу буде їх відштовхувати від границь розділу, а ось утворені вільні електрони, находячись в області р неосновними носіями, будуть перекинуті полем через границю розділу в область n, де вони є основними. Аналогічно, в області n з утвореними носіями "електрон - дірка" тільки дірка, є неосновними носіями, будуть перекинуті через границю розділу в область p, а утворені вільні електрони тільки поповнять кількість основних носіїв в області n, збільшив їх концентрацію.

процес генерації вільних носіїв заряду

Рисунок 7. Процес генерації вільних носіїв заряду

Таким чином, за рахунок поглиненої світової енергії в напівпровіднику утворюють пари носіїв; неосновні носії перекидають в сусідню область електричним полем p-n - переходу, а основні носії залишаються в своїй області; концентрація носіїв збільшується і стає рівноважною, сумарний електричний заряд основних носіїв обох областях напівпровідників уже не врівноважується протилежним зарядом іонів домішок, отже в області р з'являється сумарний позитивний заряд, а в області - сумарний негативний заряд, який обавлять виникнення різниці потенціалів між областю р та областю n. Цю різницю потенціалів називають фот ЕРС. Якщо тепер створити зовнішню електричну ланцюг між областями р і n, то по ній потече електричний струм - фотострум під дією створеною фото ЕРС.

Слід відмітити, що із всіх утворених в результаті поглинання промінистої енергії носіїв не всі будуть брати участь в утворенні світового струму, а тільки ті, які попадають в зону дії електричного поля потенційного бар'єру, обмежену область. Інші неосновні носії, утворені поза цієї зони, скоріше всього, рекомбінують, знижена ефективність використання світової енергії. Звідси стає ясно доцільність використання фотодіода, коли освітлюють не всі області напівпровідника, а тільки одну, зате дуже тонку, коли практично всі утворені під дією освітлення неосновні носії будуть розділені p-n - переходом.

Вольт-амперна характеристика - це залежність фотоструму від напруги на фотодіоді при незмінному світовому потоці.

Вольт-амперна характеристика описується наступним рівнянням:

Де - напруг між анодом і катодом фотодіодом. В випадку фотогальванічного включення це - напруження на навантаженні;

- світовий струм - сумарний потік носіїв електричного заряду, утворився внаслідок внутрішнього фотоефекту;

- струм навантаження;

- темновий струм - сумарний потік носіїв електричних зарядів, перетинаючи границю розділу при відсутності освітлення;

K - постійна Больцмана, q=1,38

Q - заряд електрона,

Т - абсолютна температура.

Вид вольт-амперної характеристики показано на ринку 8. При Ф=0 вольт-амперна характеристика фотодіода перетворюється в вольт-амперну характеристику звичайного p-n-переходу, достатньо детально вивчену раніше. При наявності освітлення струм навантаження, як видно з рисунка, потече по зовнішньому ланцюгу від області р до області n, а всередині кристала - від області n до області p, в напрямку, який для звичайного діода є зворотнім і відкладається вниз від нуля по осі ординат; напруга на фотодіоді (+) на області р, (-) на області n є прямим для звичайного діоду і тому відкладається вправо від нуля на осі абсцисс. Фактично вольт-амперна характеристика фотодіода представляє собою вольт-амперну характеристику звичайного p-n-переходу, зміщену вниз і вправо в залежності від світового потоку Ф.

Точки перетину характеристики с осями координат представляє собою напругу холостого хода (або фото ЕРС) на осі абсцисс і струм координатного замикання на осі ординат.

Ділянка характеристики за точкою представляє собою режим, коли фотодіод працює з зовнішнім джерелом ЕРС, включеним зустрічно по відношенню до фотодіоду.

Ділянка за точкою характеризує роботу фотодіода з зовнішнім джерелом ЕРС, включеним згідно з відношенням до фотодіоду. Це і є фотодіод не включення, яке буде розглядуватись нижче.

вольт-амперна характеристика фотодіода

Рисунок 8. Вольт-амперна характеристика фотодіода

Світова характеристика фотодіода або представлена на рисунку 9.

світова характеристика фотодіода

Рисунок 9. Світова характеристика фотодіода

Спектральна характеристика. Це залежність - довжина хвилі електромагнітного випромінювання. Вид цієї характеристики показаний на рисунку 10.

спектральна характеристика фотодіода

Рисунок 10. Спектральна характеристика фотодіода

Залежність 1 представляє собою відносну потужність сонячного випромінювання. Інші дві залежності показують відносну потужність фотодіодів, виконаних на основі кремнію і германію. Очевидно, що в області видимої частини спектра сонячного випромінювання найбільшу відносну потужність має фотодіод на основі кремнію. Саме з кремнію роблять частіше всього фотодіоди, працюючи в цій області довжин хвилі.

При освітлені фотодіода з'являється фото ЕРС, яка по відношенню до джерела Е включена послідовно і згідно і в ланцюгу навантаження з'являється струм, пропорційний світовому потоці Ф. Цей режим ілюструється відрізками вольт-амперної характеристики фотодіода в третьому квадранті. Однак в довідковій літературі ці характеристики приводяться частіше в першому квадранті (рисунок 11) для зручності користування.

вольт-амперна характеристика фотодіодного включенн

Рисунок 11. Вольт-амперна характеристика фотодіодного включенн

Похожие статьи




Фотодіоди - Розрахунок залежності фото електрорушійної сили напівпровідників від довжини хвилі та кута падаючого проміння

Предыдущая | Следующая