Фотоэлектрические свойства p-n-перехода

Рассмотрим физические процессы, происходящие при освещении p-n-перехода.

При освещении p-n-перехода, например, со стороны n-области (рис. 7) светом, энергия кванта которого достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы p-n-перехода образуются носители заряда – электроны и дырки. Образовавшиеся в результате фотогенерации свободные электроны и дырки участвуют в тепловом движении и диффундируют в различных направлениях, в том числе и в область p-n-перехода. Внутреннее контактное поле p-n-перехода разделяет диффундирующие к нему неосновные избыточные носители заряда: дырки, подошедшие к p-n-переходу, подхватываются полем контактной разности потенциалов и выбрасываются в p-область, а электроны остаются в n-области. Вследствие этого электронная область заряжается отрицательно, а дырочная – положительно. При этом возникает некоторая равновесная разность потенциалов между контактами 1 и 2 – напряжение холостого хода или фото-э.д.с. (точка Д на ВАХ, рис.8).

Рис. 7. Схема возникновения фото-э.д.с. при освещении p-n-перехода.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики p-n-перехода:

1 – темновая; 2 – при освещении; I – режим фотодиода; II – режим фотоэлемента;

– ток короткого замыкания фотоэлемента; – напряжение холостого хода, равное фото-э.д.с.

Явление возникновения электродвижущей силы между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости, разделенными p-n-переходом, под действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом.

Возникшей фото-э.д.с. соответствует электрическое поле, направленное противоположно контактному полю, которое компенсирует частично потенциальный барьер p-n-перехода при данной освещенности. Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда у p-n-перехода, а, следовательно, и величина фото-э.д.с. зависят от интенсивности падающего света. С возрастанием интенсивности фото-э.д.с. увеличивается, но она не может стать больше контактной разности потенциалов .

Если освещенный p-n-переход включить в замкнутую цепь с нагрузкой, то по ней потечет ток, приводящий к уменьшению избыточной концентрации электронов и дырок. Это рабочий режим фотоэлемента, который соответствует участку II на вольт-амперной характеристике.

Если p-n-переход замкнут накоротко, то избыточные разделенные переходом носители заряда создают максимально возможное значение тока – ток короткого замыкания (точка С на ВАХ). При этом никакого скопления образованных под действием света зарядов в p- и n-областях не возникает, а потенциальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в темноте.

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании фотогальванического эффекта, называют полупроводниковым фотоэлементом.

Режим работы p-n-перехода при его освещении, когда к нему приложено внешнее напряжение в обратном направлении, называется фотодиодным (участок I на ВАХ на рис. 8). Соответствующий фотоэлектрический полупроводниковый прибор называется фотодиодом.