Г.П. Яровой, П.В. Тяпухин, В.М. Трещев, В.В. Зайцев, В.И. Занин - Основы полупроводниковой электроники, страница 19

Дырки, подошедшие к p–n-переходу, не способны преодолеть потенциальный барьер ϕ 0 и остаются в p области, заряжая ее положительно. Вследствие этого на переходе формируется прямое смещение VФ , вызывающее понижение потенциального барьера до значения ϕ 0 − eVф и появление прямого тока. Если внешняя цепь разомкнута, то VФбудет увеличиваться до тех пор, пока прямой ток через p−nпереход I s exp eVф / kT − 1 не уравняет фототок I ф . Возни-[]кающую при этом разность потенциалов VФ называют фотоэдс.Таким образом, в установившемся состоянии через разомкнутый p−n-переход в прямом направлении течет ток основных носителей I s exp eVф / kT , а навстречу ему обратный[]гая же их часть создает ток I , протекающий во внешней цепи. В этом случае соотношение (9.5) запишется в виде:Ise− Is − Iф = 0 .(9.5)Из этого соотношения легко определить фотоэдс:Vф =(9.6)Vф :Vф =kT  I ф − Iln+ 1.e  IsПри коротком замыкании p–n-перехода практически всеносители, генерируемые светом, поступают во внешнююцепь, вследствие чего Vф ≈ 0 , а ток в цепи, как следует из(9.6), равен I ф .При подаче на освещенный p–n-переход внешнего смещенияVчерезнегопротекаеттемновойтокI s [exp(eV kT ) − 1] , как через обычный диод, находящийся подсмещением, и первичный фототок − I ф , зависящий от мощности светового потока W0 .

Суммарный ток через переходравен()I = I s e eV kT − 1 − I ф .нулю:eVф / kT− I ф − I s = −I.Из этого соотношения можно определить фотоэдс черезток - I s и фототок - I ф . Полный ток через p−n-переход равенI seeVф kT(9.7)Обратные ветви ВАХ при разных освещенностях получаются путем сдвига ВАХ неосвещенного диода вниз по оситоков на I ф .Распределение напряжения V0 источника смещения между сопротивлением нагрузки Rн и диодом можно определить,kT  I фln + 1.e  IsПри включении p–n-перехода на наружное сопротивление Rн только часть носителей, возбужденных светом и переброшенных через p–n-переход, возвращается обратно, дру143подставив в выражение (9.7) вместо V величину V0 − IRн ирешив численно полученное таким образом уравнение относительно I .144Явление изменения силы тока во внешней цепи или напряжения на нагрузном сопротивлении R при освещении p–n-перехода используют для регистрации и измерении мощности светового излучения.

Приборы, использующие этотпринцип, выполняют роль фотоприемников. Режим работыдиода, при котором на него подается отрицательное смещение и оно остается отрицательным при освещении диода, называют фотодиодным. Если же фотоприемник используетсябез внешнего смещения, то говорят о его работе в режиме фотоэлемента.Некоторые p–n-переходы не могут работать при скольконибудь существенном обратном смещении, и их используюттолько как фотоэлементы (селеновые и др.)Возникновение в освещенном p–n-переходе фотоэдс, а вовнешней цепи электрического тока позволяет осуществить спомощью фотоэлемента прямое преобразование световойэнергии в электрическую.

Такой принцип лежит в основе устройства солнечных батарей, используемых для питаниякосмической и бортовой радиоаппаратуры, и в наземныхэнергетических установках. Мощность, которую можно снятьс фотоэлемента, составляетWV = IVф .Она зависит от нагрузочного сопротивления Rн и при некотором его значении достигает максимального значения.Отношение этой мощности к мощности падающего излучения представляет собой КПД преобразователя.

КПД зависитот степени перекрытия области спектральной чувствительности фотоэлемента и спектра солнечного света, от внутреннегосопротивления фотоэлемента и других факторов. Световаяхарактеристика фотоэлемента, выражающая зависимость силы тока в цепи от мощности светового потока и др., в общемслучае нелинейна.Основными полупроводниковыми материалами, применяемыми промышленностью для изготовления солнечных батарей, являются в настоящее время кремний и арсенид гал145лия. Расчет показывает, что предельный КПД кремниевыхпреобразователей должен быть равен ~20%, практическидостигнут КПД ≈ 19%.Фотоэлемент с p–n-переходом применяют также в качестве чувствительных элементов датчиков, реагирующих наизменение интенсивности светового потока.

Интегральнаячувствительность их примерно на 2-3 порядка выше, чем уэлементов с фоторезисторами. Для ее повышения фотоэлементы конструируют так, чтобы возможно большее числоносителей, возникающих при освещении, достигло p–nперехода. С этой целью базу элемента делают как можнотоньше, а полупроводниковый материал выбирают с возможно большей диффузионной длиной носителей L , чтобы выполнялось соотношение x << L .Основным недостатком вентильных фотоэлементов является относительно большая инерционность.

Это ограничиваетобласть применения таких элементов в качестве датчиковсветовых потоков, модулированных высокой частотой.При фотодиодном решении работы фотоприемника надиод подают обратное смещение V . В этом случае при освещении диода его обратная ветвь опускается вниз на I ф , какпоказано на рис. 9.3, б, и на нагрузочном сопротивлении Rнпоявляется сигнал ∆V = I ф ⋅ Rн , который и регистрируется. Вотличие от фотоэлемента, фотодиод имеет линейную световую характеристику и, как правило, обладает более высокимичастотными свойствами. У современных фотодиодов быстродействие доведено до ~10-9 c.1469.2.Преобразование электрической энергиив световую9.2.1. СветодиодыПри пропускании прямого тока концентрация неосновных носителей у границ p–n-перехода резко повышается истановится значительно выше равновесной.

К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные носители, и их концентрация у границ перехода становится такжевыше равновесной. Диффундируя в глубь полупроводника,неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объемногозаряда p–n-перехода. Если при этом существенная доля актоврекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого света наружу, полупроводниковыйдиод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом.Средняя мощность излучения светодиода в непрерывномрежиме невелика – порядка нескольких милливатт.

Увеличить ее за счет повышения прямого тока не удается из-за разрыва p−n-перехода, резко снижающего внутреннюю эффективность. Однако такие мощности позволяют использоватьсветодиоды для направленной оптической связи в пределахпрямой видимости. Перспективным является использованиесветодиодов в качестве источников излучения в оптиковолоконных линиях связи. Светодиоды используют также вкачестве малогабаритных световых индикаторов. В этом случае одним из основных параметров светодиода является егояркость, как она воспринимается человеческим глазом.Выбирая для светодиода полупроводник с различнойшириной запрещенной зоны, можно получить различныецвета свечения диода.1479.2.2.

Полупроводниковые лазерыВ лазерах – приборах для генерации монохроматическогоузконаправленного светового излучения – используется явление вынужденного испускания света. Это явление состоит впереходе электрона с верхнего энергетического уровня E n насвободный нижний уровень E p под действием световой волны с частотойν = (E n − E p ) h .При этом освобождающаяся энергия E n − E p передаетсявызвавшей переход световой волне, увеличивая ее амплитуду. Происходит усиление света.Если в среде электронами заселены как верхние, так инижние состояния, то усиление света будет преобладать надего поглощением тогда, когда заселенность верхних уровнейвыше, чем нижних (инверсная заселенность). В противномслучае свет будет поглощаться. В условиях теплового равновесия степень заселенности нижних энергетических состояний всегда выше, чем верхних, и такими системами свет всегда поглощается. Получить инверсную заселенность можно,лишь выведя систему из теплового равновесия.

Среду, в которой достигнута инверсная заселенность уровней, называютактивной.В лазерах световая волна многократно проходит через активную среду, отражаясь от зеркал. Если световая волна теряет при отражении от зеркала меньше энергии, чем приобретает при прохождении через активную область, то ее интенсивность будет непрерывно нарастать. Происходит лавинообразное увеличение интенсивности световой волны, возникаетгенерация. Так как при каждом отражении часть света проходит сквозь зеркало, то с ростом интенсивности световой волны в активной среде растет и интенсивность света, выходящего из лазера наружу.148стью заполненные уровни зоны проводимости (рис. 9.4, б).

Вэтих условиях спонтанно возникшие кванты, вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар, вызывают стимулированное испускание излучения.Рис. 9.4. Энергетическая диаграмма лазерного p–nперехода в состоянии равновесия (а) и врабочем режиме (б)В полупроводниковых лазерах используют явлениеиндуцированногоизлучения,возникающегоприизлучательной рекомбинации электронно-дырочных пар.Наиболее широкое практическое применение получилиинжекционные лазеры на арсениде галлия, в которыхинверсная заселенность достигается инжекцией неосновныхносителей через p–n-переход в вырожденные областиполупроводника. Применяют также ряд твердых растворов,например,На рис.AlGaAs9.4, а ипоказант.п.равновесный p–n-переход междудвумя вырожденными областями полупроводника. УровеньФерми в p-области ( µ p ) расположен ниже вершины валентной зоны Eυ , а в n-области ( µ n ) – выше дна зоны проводимости E c . Такое расположение уровней Ферми свидетельствует о том, что состояния вблизи вершины валентной зоны pобласти с вероятностью, близкой к 1, свободны (заполнены),а состояния вблизи дна зоны проводимости n-области с тойже степенью вероятности заполнены электронами.