1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 74
Текст из файла (страница 74)
§ 14-6,14-7 и 14-8).Облучение р -п перехода световым потоком. На рис. 14-5 пок а за н а энергетическая диаграм м а р-п перехода, облучаемого световым потоком Ф,Предположим, что практически все примесные атомы термически ионизованы и при облучении р-и-перехода наблю дается в основном собственное поглощение.
Предположим т а к ж е , что световой поток Ф содержит спектральные составляю щ ие, д л я которыхвыполняется условиек ч ^ А Е а.(14-20)Коэффициент поглощения а 0, к а к известно, зави си т от частоты.Предположим, что д ля частот, отвечающих условию (14-20), ы0достаточно велик, так что основные акты поглощ ения происходятв толще р-полупроводника, недалеко от его поверхности. В результате собственного поглощения образую тся пары свободныхзарядов: электроны и дырки. В р-полупроводнике, таким образом, создается неравновесная концентрация зарядов обоих зн аков,которые и диффундируют по направлению к области с меньшейконцентрацией, т.
е. к запирающем у слою. Достигнув этого слоя,электроны увлекаю тся контактнымполем §„ и перебрасываются вгс-область, где они являю тся основными носителями. Д ырки тормозят ся контактным полем и остаются в р-области. Таким образом, Гпс. 14-5. Энергетическая диапо обе стороны запирающего слоя грамма р-п перехода, облучаемогосветовым иотоком.увеличивается концентрация основных носителей зарядов.Если области полупроводника, образующие переход, не зам кнуты внешней цепью, то в р-областн будут н акап л и ваться дырки,а в 7г-области — электроны.
Объемный зар я д этих основныхносителей частично компенсирует заряды ионизированных атомовпримесей в запирающем слое, и потенциальный барьер на переходесниж ается. Условие равновесия наруш ается, ц через переходвозникает диффузионный ток основных носителей. Новое равновесное состояние будет соответствовать меньшей величине потенциального барьера срк — С/ф, при которой поток неосновныхносителей через переход, возникающих в р езультате поглощенияквантов света, будет полностью уравновеш ен встречным диффузионным потоком основных носителей.Возникающая при этом разность потенциалов и ф, на величинукоторой снижается потенциальный барьер в переходе, назы ваетсяфоторлектродвижущей силой (фото-э.
д. с.).Фото-э. д. с. зависит от интенсивности облучаю щ его переходсвета и других факторов, но ее максумальное значение не можетбыть больше контактной разности потенциалов фк.Если области полупроводника, образующие р -п переход,зам кнуть внешней цепью, то в ней потечет фототок /ф, обязанныйдвижению через переход неосновных носителей заряда, генерированных кван там и света, и, следовательно, совпадающий понаправлению с обратным током.Число генерируемы х в единицу времени пар зарядов пропорционально чи слу поглощенных фотонов Ф/ку и квантовому вых о ду (3.
Следовательно, д л я фототока можно записать:/ф = - ^ К(14-21)где х — коэффициент собирания носителей заряда, определяющийчисло пар носителей зарядов, не рекомбинирующих в толще и наповерхности полупроводника и достигающих запирающего слоя(X < !)•К ак видно из этого вы раж ени я, фототок /ф пропорционаленсветовому п отоку Ф. Коэффициент пропорциональности в (14-21).5инт =(14-22)— это и н тегр ал ьн ая чувствительность фотоприемника.Коэффициент к зависит от р яда факторов: электрофизическихсвойств м атер и ал а, толщины слоя полупроводника вблизи поверхности и др. В самом деле, величина фототока определяется х ар ак тером дви ж ени я'неравновесн ы х «световых» носителей зар яда.
Этодвижение вклю чает в себя диффузию частиц к запирающему слоюи дрейф носителей в поле § к через запирающий слой. Очевидно,что если основные акты поглощения происходят в р - слое, то д ляполучения коэффициента и, близкого к единице, толщина этогослоя и? до л ж н а быть много меньше диффузионной длины:Ь.С другой стороны, чрезмерное уменьшение го может привести кк тому, что основные акты поглощения будут происходить оченьблизко к поверхности, где вероятность рекомбинации на поверхностных ур о в н ях существенно больше.В рем я диффузии носителей к переходу, а такж е время дрейфаих в контактном поле определяют инерционные свойства приборов.В р яд е приборов акты поглощения происходят не только вслое полупроводника, прилегающего к поверхности, но и в областизапираю щего слоя. К ак показы вает анализ [23], в том и другомслучае наилучш ее соотношение м еж ду квантовой эффективностьюприбора и его быстродействием достигается при условии1/а0.(14-23)В ольт-ам перная характеристика р - п -перехода, облученного светом.
П редположим, что внеш няя цепь р-п перехода зам кнута черезрезистор н агр узк и 7?„, подключенный к металлическому покрытию со стороны «-полупроводника и к полупрозрачной металлц-ческой пленке на поверхности р-полупроводника (рис. 14-6).Ток I ф, создаваемый движением через переход неосновных носителей, совпадает по направлению с обратным током /0 электроннодырочного перехода. На резисторе Я н ток /ф создает падениенапряжения £/д (плюсом к р-полупроводнику), которое приводитк уменьшению потенциального барьера и, следовательно, к возникновению через переход прямого тока,текущ его навстречу ток у /ф.И спользуя вы раж ение (10-52) д л я вольтамперной характеристи-Рпс.
14-6. Подключение резистора нагрузки к р-п переходу.кн р-п перехода, запишем вы раж ени ецепи облученного перехода:/=/Ф•/ одлятокавовнешнейЛ(14-24)Принимая во внимание, что и = С/д = Ш я, запиш ем:еШ(14-25)Решив относительно 17д, получим:(14-26)Эти вы раж ения описывают вольт-амперную х ар ак тер и сти к уоблученного р -п перехода (рис. 14-7).Первый квадрант содержит прямую (диффузионную) ветвьвольт-амперной характеристики необлученного (Ф = 0) перехода, находящ егося под прям ы м напряжением. При облученииперехода возникающий фототок вычитается из диффузионноготока и эта часть характеристики видоизменяется. В третьем к в а д ранте располагается семейство кр и вы х, соответствующих подклю чению обратного напряж ени я к р - п переходу.
При Ф > 0 фототоксум м и р уется с обратным током р - п перехода. Эту часть характеристик называю т характ еристиками фотодиодного включенияоблученного р-п перехода. Х арактеристики в четвертом квадрантеяв л яю тся характеристикам и полупроводникового фотоэлемента.В сл уч ае короткого зам ы кан и я (Яа = 0, рис. 14-6) ток во внешней цепи равен фототоку и выражение (14-25) принимает вид:1К з = /ф = 5ИПТФ.(14-27)Н а осп ординат рис.
14-7 (С/ = 0) кривые при условии Ф3 —.— Ф 2 — Ф 2 —— АФ отсекаю т равные отрезки.В реж име холостого хода (I = 0) выражение (14-26) имеет вид:и х. х = ^ - 1п(1 + * !И ^ ) .(14-28)Н апряж ение на заж и м ах фотогальванического элемента растетс увеличением светового потока по логарифмическому закону.В соответствии с этим ж е законом изменяются величины отрезков,отсекаем ы х кривыми на оси напряжений (/ = 0 ) .Н апряж ение на заж и м ах прибора в режиме холостого хода —это, к а к отмечалось, выше, фотоэлектродвижущая сила С/ф.П о д ставл яя в (14-28) численные значения постоянных, для Т == 300 К получаем:и ф ъ 0 ,02 5 1п (1 +При интенсивном освещении зтпФк а х можно пренебречь:£/ф^ 0 ,0 2 5 1п-5® -.*о.(14-29)/0 и единицей в скоб.(14-30)14-6.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫОпределенно. П олупроводниковыми фотоэлементами называютприборы, принцип действия которых основан на фотогальваническом эффекте — явлении возникновения фото-э. д. с. в электрическом переходе при облучении его световым потоком. Фотоэлементы являю тся преобразователями энергии светового потокав электрическую энергию и используются к а к источники э. д. с.д л я питания различных радиоэлектронных устройств, в приборахавтом ати ки и др.У стройство селенового и кремниевого фотоэлементов схематически показано на рис. 14-8. Н а массивную металлическую пластин у толщиной 1—2 мм методом термического испарения в в а к у ум е наносят слой р-селена ( р —Эе) и прогревают пластину приТ — 200 -и 210° С.
На слой селена затем напыляют тонкую пленкук ад м и я (Сс1), галли я (С а) или индия (1п). При последующей термической обработке на поверхности кристалла Бе образуетсятонкий слой (около 50 мкм) селенистого соединения напыленногометалла, обладающего «-проводимостью. На границе образо вавшегося селенида и р —Эе формируется электронно-дырочныйпереход. Тонкий напыленный слой металла полупрозрачен и с л у жит вторым электродом, с которым соединяется кольцеобразны йметаллический контакт.ФЦ / / / / Шу / / / /а)Рис.
14-8. Устройство полупроводниковых фотоэлементов.а — селенового; б — кремниевого; 1 — контактное кольцо;2 — полупрозрачный слой м еталла; з — р-ппереход; 4 — металл; 5 — п — Бе; 6 — р — ве ; 7 — р — в1; 8 — п — 81.Основой кремниевого фотоэлемента служ ит пластина п —81 толщиной 0 ,3 —1 мм, на поверхности которой путем диффузии бораили алюминия создается слой р —в ! толщиной 0 ,4 —1 м км . Н агранице этого слоя с п —образуется р-п переход с толщинойзапирающего слоя I « 0,05 м км . К онтакты со слоем р —с оз да ются путем вакуумного напы ления пленки ти тан а, защ ищ аемого затем тонкой пленкой серебра.
П ленка напыляемого м етал л аполупрозрачна. С тыльной стороны пластины вы тр авл и ваетсял ун ка, в которой осущ ествляется контакт с пластиной п —ЭьХарактеристики и параметры фотоэлементов. Э н ергет и ческаяхарактеристика фотоэлемента п оказан а на рис. 14-9, а. ПриВ н = 0 зависимость /ф = / (Ф ) долж на быть согласно (14-21)линейной, однако с увеличением светового потока х ар актер и сти каотклоняется от линейного зако н а. Это объясняется влиянием соп-Рис. 14-9. Энергетические (а) п вольтамперные (б) характеристики полупроводникового фотоэлемента.Рис. 14-10.
Э квивалентнаясхема полупроводниковогофотоэлемента.ротивленйй перехода гпер й сопротивления Гб — объема полупроводн и ка, показанных на эквивалентной схеме фотоэлемента(рис. 14-10), на которой процесс световой генерации пар зарядовпредставлен эквивалентным генератором тока /ф.Д л я этой схемы в соответствии с законом Кирхгофа можнозап и сать:(14-31)ОтсюдаI фг пер(14-32)■Ян -Ь г пер + r QПри R H = 0(14-33)При м алы х значениях светового потока гпер^> Гб, следовательно,sHHTФ и световая характеристика почти линейна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
