Влияние оптического воздействия на р-п-переход

Если обеспечить доступ оптического излучения Ф на область р-п-перехода (рис. 3.15), то за счет энергии квантов света (значение которой зависит от длины волны воздействующего светового потока) в области р-п-перехода вследствие вторичной ионизации атомов примеси возникнут свободные носители. Под действием поля потенциального барьера эти носители перейдут в соседние области (дырки - в п-слой, электроны - в р-слой). То есть заряды, образовавшиеся в результате оптического воздействия, ведут себя как неосновные носители. В результате обратный ток р-п-перехода I₀=F(U_обр) возрастает на величину фототока I_ф=F(Ф), а уравнение вольт-амперной характеристики такого р-п-перехода примет вид

(3.11)

Рис. 3.16. Вольт-амперная харак- теристика р-п-перехода при оптическом воздействии

График зависимости (3.12.) изображен на рис. 3.16. Из рис. 3.16 хорошо видно, что при обратном смещении такой р-п-переход может выполнять функцию оптически управляемого элемента

I_ф=F(Ф, U_обр),

что широко используется на практике, когда информация передается по оптическим каналам (оптоэлектроника). С другой стороны, если разомкнуть выводы р-п-перехода (I=0), то согласно (3.12) на разомкнутых концах при воздействии светового потока появляется разность потенциалов (рис 3.17).

(3.13)

Это означает, что р-п-переход в данном случае выполняет функцию преобразователя энергии светового потока в электрическую энергию.

Рис. 3.17. Генерация разности потенциалов под воздействием оптического излучения

Если к зажимам освещенного р-п-перехода присоединить нагрузку, то в ней выделится мощность за счет протекания тока (рис. 3.18)

Р_н=e_ф i_ф.

а) б)   Рис. 3.18. Графическое определение фото-ЭДС еф и вызванного его тока iф освещенного р-п-перехода: а) схема подключения нагрузки; б) графическое определение фото-ЭДС еф

На основе рассмотренного явления преобразования в р-п-переходе световой энергии в электрическую строятся элементы солнечных батарей, являющихся основными источниками электроэнергии на борту космических аппаратов. К сожалению, очень низкий КПД таких элементов не позволяет пока широко использовать их в земных условиях.

Эффективность реакции р-п-перехода на оптическое воздействие зависит от длины волны (спектра). Поэтому одной из важнейших характеристик таких приборов является спектральная. Например, зависимость фототока от длины волны (l) оптического воздействия (рис. 3.19).

Подбором материала полупроводника можно обеспечить максимум оптической чувствительности в области видимого или инфракрасного излучения.

Естественно, что реакция р-п-перехода на оптическое воздействие является инерционной (рис. 3.20). Характеристики степени инерционности также являются важным параметром фотодиодов.

Рис. 3.19. Спектральная характе- ристика светочувствительного р-п-перехода

3.11. Р-п-переход как преобразователь электрической энергии
в световой поток

Рис. 3.20. Инерционный р-п-переход при оптическом воздействии

Рис. 3.21. Р-п-переход как источник света

При прямом смещении р-п-перехода основные носители слоя п - электроны в огромных количествах переходят в слой р. Часть этих электронов рекомбинирует с дырками слоя р. Физически рекомбинация означает исчезновение пары свободных носителей: электрон из зоны проводимости “падает” в валентную зону, теряя при этом полученную ранее энергию. В зависимости от ширины запрещенной зоны эта энергия выделяется или в виде тепловой (фононы), или в виде световой (фотоны). В последнем случае р-п-переход начинает излучать свет определенной длины волны, то есть становится преобразователем электрического тока в световой поток (рис. 3.21).

В специальном конструктивном оформлении такие излучатели называются светодиодами и широко используются в современной электронике как для обработки информации (оптоэлектроника), так и в качестве оптических индикаторов.

Естественно, что светодиод обладает спектральной характеристикой, то есть максимум оптической энергии сосредоточен в узкой области оптического спектра. Например, светодиоды на основе ArGa излучают свет в инфракрасном диапазоне (»1мкм).