Яворский Б. М. , детлаф А. А. , милковская Л. Б. Курс физики, Т. II, гл. XIII. М. , «высшая школа», 1965.

РАБОТА №49

 

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ФОТОДИОДА

 

Цель работы: изучение основных закономерностей, определяющих свойства и параметры фотодиодов, исследование их вольт – амперных и световых характеристик.

Введение

 

Носители тока в полупроводниках, имеющие бо´льшую (ме´ньшую) концентрацию, называются основными (не основными). В соответствии с типом основных носителей полупроводники называют дырочными (p-типа) или электронными (n-типа).

Плоскостной p-n-переход получают введением с одной стороны в кристалл полупроводника n-типа акцепторных примесей с концентрацией, значительно превышающей концентрацию донорных примесей в данном полупроводнике. Тогда, вследствие различной концентрации дырок и электронов по обе стороны p-n –перехода, дырки диффундируют в n-область, а электроны – в p-область перехода. В результате оттока носителей, по обе стороны

р-n –перехода образуется пространственный заряд ионов соответствующей примеси, который создает электрическое поле с контактной разностью потенциалов φ_к. Контактное электрическое поле вызовет дрейфовый ток неосновных носителей (электронов из p-области в n-область, а дырок из n-области в p-область), который в отсутствии внешнего напряжения на p-n–переходе будет уравновешивать диффузионный ток основных носителей так, что суммарный ток через p-n–переход будет равен нулю. Условие равновесия p-n–перехода заключается в требованиии постоянства уровня Ферми (уровня энергии, вероятность заполнения которого электронами равна ) вдоль всего перехода (рис.1).

При приложении прямого напряжения к p-n–переходу, когда внешнее поле противоположно внутреннему полю перехода (рис.2,а) величина потенциального барьера для основных носителей уменьшится, и они могут проникнуть в область кристалла с противоположным типом проводимости (инжекция неосновных носителей, например, электронов в p-область перехода).

Расстояние, на котором концентрация инжектированных носителей падает вследствие рекомбинации с основными в e раз, называется диффузионной длиной и обозначается L_p и L_n для дырок и электронов соответственно.

Обратное напряжение (рис. 2,б) увеличит потенциальный барьер для основных носителей. Увеличение обратного напряжения приведет к насыщению тока, созданного неосновными носителями.

Полный ток через p-n-переход равен сумме дырочного I_p и электронного I_n токов

I=I_n+I_p=I_s (e -1) (1)

Здесь q- заряд электрона;

k- Постоянная Больцмана;

U- напряжение на p-n-переходе (берется со знаком «+» для прямого и со знаком «-» для обратного напряжения).

I_s- ток насыщения

Ток насыщения диода (он же темновой ток фотодиода) переносится термически созданными парами электрон-дырка, образовавшимися на расстоянии от p-n-перехода, не превышающем диффузионную длину (предполагается, что L_p и L_e велики по сравнению с шириной p-n-перехода).

 

Принцип действия фотодиода

В основе работы полупроводникового фотодиода лежат явления внутреннего фотоэффекта и разделения носителей полем p-n-перехода.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках при поглощении фотона с энергией, достаточной для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, происходит образование пары электрон- дырка.

При относительно низких интенсивностях изменение концентрации основных носителей при внутреннем фотоэффекте незначительно по сравнению с равновесной концентрацией. По этой причине изменение прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода при освещении p-n-перехода незаметно. Для работы фотодиода используется обратная ветвь ВАХ p-n-перехода.

Носители, созданные светом на расстоянии диффузионной длины с обеих сторон p-n-перехода (рис. 3) диффундируют к p-n-переходу и увлекаются там электрическим полем. Разделение носителей происходит по той причине, что основным носителям при движении через p-n-переход приходится преодолевать потенциальный барьер, тогда как неосновные носители попадают в ускоряющее поле и легко перебрасываются на другую сторону p-n-перехода. Кроме того происходит и разделение пар, генерированных светом в пределах p-n-перехода. В результате дырки движутся в p-область, а электроны- в n-область, создавая электронный ток, направленный в n-область.

Суммарный фототок неосновных носителей I=I_fn+I_fp нарушает тепловое равновесие и заряжает p-область положительно относительно n-область (рис. 4).

При этом создается разность потенциалов, стремящаяся понизить величину барьера, как если бы к переходу было приложено напряжение φ в прямом направлении. Возникшее таким образом смещение p-n-перехода в прямом направлении вызывает прямой ток, образованный уже основными носителями и направленный противоположно току фотоносителей.

В случае, если внешняя цепь фотодиода разомкнута и, следовательно, внешнее напряжение отсутствует, то φ называют вентильной фотоэдс.

 

Вольт- амперная характеристика фотодиода

 

Пусть последовательно с фотодиодом (рис. 5) включен источник обратного напряжения E_вн и внешнее сопротивление R (фотодиодный режим работа прибора). В этом случае ток через p-n-переход создается потоком не- основных носителей и определяется уравнением

I= –I_f +I_s(e -1). (2)