90.53 Kb.Название Дата конвертации05.09.2012Размер90.53 Kb.Тип 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Работа 11 Фотоэффект в р-п-переходе Работа 3.11 Фотоэффект в р-п-переходеПриведено описание новой лабораторной работы, предлагаемой студентам, изучающим общий курс физики. Работа посвящена фотогальваническому эффекту явлению, широко применяющемуся в технике и наглядно объясняемому в рамках квантовой теории света и зонной теории твердого тела. При контакте двух полупроводников с разным типом проводимости образуется область, обедненная носителями тока, так называемый р-п-переход. Если р-п-переход не освещен, то между полупроводниками возникает контактное электрическое поле, направленное от п-полупроводника к р-полупроводнику. На границе р- и п- области образуется потенциальный барьер, который препятствует движению основных носителей электронов из п-области в р-область и дырок в противоположном направлении. Неосновные носители (дырки в п-области и электроны в р-области) могут быть увлечены полем р-п-перехода, образуя тем самым ток неосновных носителей. При подаче на р-п-переход обратного напряжения, увеличивающего высоту барьера, этот ток даже может увеличиться, но быстро достигает насыщения, так как ограничен низкой концентрацией неосновных носителей. При освещении р-п-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, увеличивается концентрация как основных, так и неосновных носителей. На рис. 1 изображена зонная структура полупроводников по обе стороны от р-п]-перехода. Электронно-дырочные пары, находящиеся от р-п-перехода на расстоянии, меньшем длины свободного пробега, могут достигнуть области контакта. П Рис. 1. Генерация электронов и дырок при освещении р-п-перехода. отенциальный барьер будет способствовать переходу электрона из р-области в п-область. Соответственно, если излучение поглощается в п-области, то через р-п-переход пойдут дырки. Если же излучение поглощается в области потенциального барьера, то электроны переносятся полем в п-область, а дырки в р-область. Электрическое поле р-п-перехода разделяет избыточные носители тока. Поскольку из обеих областей уходят только неосновные носители, то можно считать, что генерируемые светом носители заряда увеличивают обратный ток р-п-перехода, так как именно он образуется за счет неосновных носителей. В результате вольтамперная характеристика (ВАХ) освещенного р-п-перехода сместится на величину фототока:, (1) где фототок, создаваемый возбужденными светом носителями. Для оценки фототока рассмотрим простейший случай. Будем считать, что излучение поглощается в п-области, а интенсивность света постоянна. При обратном смещении процесс переноса генерированных светом носителей ничем не отличается от переноса носителей, образовавшихся в результате тепловой генерации. И для определения фототока можно воспользоваться формулой для обратного тока р-п-перехода: , (2) где количество зарядов, образующихся за время , т.е. это скорость образования свободных носителей заряда; толщина слоя базы, в котором носители образуются; е здесь и далее заряд электрона. По аналогии с (2) фототок может быть записан в виде , (3) где концентрация генерируемых светом носителей за время ; W толщина базы (для случая ). Величина пропорциональна интенсивности света Ф и квантовому выходу : . (4) Квантовый выход в данном случае это число электронно-дырочных пар, образованных одним квантом света. Подставляя в (3), получим , (5) где безразмерный коэффициент, зависящий от конструктивного оформления р-п-перехода. Результат (5) действителен и для случая, когда интенсивность света уменьшается вглубь базы по экспоненциальному закону. Возникновение ЭДС при освещении контакта двух полупроводников с разным типом проводимости называется фотогальваническим эффектом. Возникновение фото-ЭДС объясняется тем, что поле р-п-перехода, даже в отсутствие внешнего напряжения, производит разделение электронно-дырочных пар, генерируемых падающим светом. Так, если в р-слое фотоэлемента (рис. 2) за счет внутреннего фотоэффекта образуются электроны, то они под действием поля р-п-перехода переходят в п-слой. Дырки остаются в р-слое, и между п и р областями возникает фото-ЭДС. А при замыкании цепи по ней пойдет ток. Рис. 2. Устройство фотодиода.Фотоэлемент, в котором фотоэффект в р-п-переходе используется в токовом режиме, называется фотодиодом. Фотодиод может быть использован в качестве фотоприемника, ток которого пропорционален освещенности. Фотодиоды характеризуются теми же параметрами, что и фоторезисторы. Темновое сопротивление у них значительно больше, чем у фоторезисторов, соответственно отношение темнового сопротивления к сопротивлению освещенного фотодиода больше, чем у фоторезистора. Пороговая чувствительность фотодиода определяется минимальным световым сигналом, вызывающим в цепи диода изменения тока, различимые на фоне собственных шумов. Если интегральную чувствительность можно сравнить с коэффициентом усиления, то пороговая чувствительность будет аналогична коэффициенту шумов. Темновой ток составляет 10-20 мкА для германиевых и 1-2 мкА для кремниевых фотодиодов. Интегральная чувствительность фотодиодов порядка нескольких десятков . Фотодиоды имеют меньшую чувствительность, чем фоторезисторы из-за того, что у них квантовый выход не может быть больше единицы, как у фоторезисторов. Но зато они имеют другие преимущества, главное из которых меньшая инерционность. Инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу , временем их пролета через область объемного заряда р-п-перехода и постоянной . Время пролета носителей через область объемного заряда можно оценить как можно оценить как . В германии и кремнии , d об
Работа 11 Фотоэффект в р-п-переходе
Работа 11 Фотоэффект в р-п-переходе
Комментариев нет:
Отправить комментарий