Теоретическое описание фотовольтаического эффекта

1. Шалимова К. В. Физика полупроводников. Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы». Изд. 2-е, переруб. и доп./ К. В. Шалимова.-М: Энергия, 1976 г. – 416 с.

2. Гусев В. А. Основы твердотельной электроники: Учеб. пособие / В. А. Гусев. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2004 – 635 с.: ил.

3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Сов. радио, 1980. – 424 с.

Лабораторная работа

Исследование фотовольтаического эффекта

Цель работы: изучение явления фотовольтаического эффекта, исследование вольт-амперных характеристик фотодиода.

Теоретическое описание фотовольтаического эффекта

Фотовольтаический эффект в p-n переходах заключается в возникновении ЭДС под действием света в результате пространственного разделения возбужденных носителей заряда электрическим полем на границе двух контактирующих материалов.

Фотодиод является полупроводниковым прибором, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода неравновесных носителей, создаваемых светом.

Рассмотрим более подробно работу фотодиода. При отсутствии освещения существует равновесное состояние между тепловыми потоками носителей через переход из n-области в р-область и в противоположном направлении. При освещении n-области в ней образуются неравновесные электроны и дырки. Изменение концентрации электронов в n-области можно не учитывать, так как это изменение по сравнению с равновесной концентрацией обычно не очень велико и только ничтожная их доля, преодолевая потенциальный барьер, может проходить в р-область полупроводника. Повышение концентрации дырок приводит к тому, что через переход появляется дырочный ток, направленный в р-область. Величину дырочного тока, обусловленного освещением, обозначим через I_f. Наличие тока I_f нарушает тепловое равновесие и приводит к тому, что р-область полупроводника заряжается положительно относительно n-области. Возникшая таким образом разность потенциалов φ уменьшает потенциальный барьер, что соответствует смещению p-n-перехода в прямом направлении. Эта разность потенциалов φ вызывает прямой ток дырок, который противодействует диффузионному току неосновных носителей I_f. Если разность потенциалов на p-n-переходе φ, то инжекционный ток

(1.1)

где I_s – ток насыщения p-n-перехода;

φ_Т – температурный потенциал.

В результате установится динамическое равновесие между током I_f и током инжектированных носителей I:

= I_f. (1.2)

Если подключить к выводам фотодиода источник напряжения U, то в цепи потечет ток, величина которого определяется разностью встречных токов через p-n-переход:

I = . (1.3)

Омическим сопротивлением областей пренебрегаем, поэтому смещение перехода определяется только воздействием внешнего источника напряжения U.

Уравнение (1.3) описывает семейство вольтамперных характеристик фотодиода (рисунок 1). Параметром семейства характеристик является величина светового потока Ф.

Пусть последовательно с фотодиодом включен источник напряжения Е и внешнее сопротивление R. Ток через переход в этом случае так же будет определяться уравнением

I = . (1.4)

Величина напряжения на переходе U будет являться результатом совместного воздействия светового потока Ф и внешнего напряжения Е. Величина тока I через сопротивление нагрузки R

I = , (1.5)

где Е – напряжение источника питания в цепи фотодиода.

Подставив выражение (1.5) для I в уравнение (1.4), получим основное уравнение фотодиода при наличии внешнего смещения:

I_f (1.6)

Различают два режима работы фотодиода: вентильный и фотодиодный.

Вентильный режим (рисунок 2) характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода. При этом внешнее сопротивление R в общем случае может быть включенным во внешнюю цепь.

Уравнение (1.6) для вентильного режима работы фотодиода имеет вид

I_f (1.7)

При разомкнутой внешней цепи (R=∞) величину напряжения на переходе φ называют вентильной фото-э.д.с. и обозначают φ_в. Из уравнения (1.7) получим

φ_в = φ_Т *ln( + 1). (1.8)

В режиме короткого замыкания (R=0) напряжение на выводах фотодиода U=0 и ток во внешней цепи I=I_f, что следует из уравнения (1.7). В этом случае ток короткого замыкания I образован только потоком неравновесных дырок, вызванных светом.

Рассмотрим связь тока короткого замыкания I_f с величиной светового потока Ф, падающего на поверхность фотодиода. Световой поток Ф есть мощность излучения, приходящаяся на всю поверхность n-области полупроводника. Поэтому число квантов света, приходящее в единицу времени на всю поверхность n-области, равно Ф/hν, где hν – энергия одного кванта. Очевидно, что величина светового тока I_f будет пропорциональна числу квантов света, поглощаемых в полупроводнике в единицу времени. В таком случае ток

, (1.9)

где β – квантовый выход, т.е. число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света;

χ – коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинировавших носителей заряда от общего количества носителей, возникающих под действием светового потока.

Таким образом, величина тока I_f прямо пропорциональна световому потоку Ф.

Фотодиодный режим (рисунок 3) работы прибора характеризуется наличием обратного напряжения на переходе.

В этом режиме величина потенциального барьера возрастает и, следовательно, ток через переход будет определяться потоками неосновных носителей. Ток через фотодиод является током насыщения. Действительно, при достаточно больших отрицательных напряжениях из выражения (1.6) следует:

I = I_f + I_s. (1.10)

При малых напряжениях на переходе (U<<φ_Т) после разложения в ряд выражения (1.6) получим

I = I_f + I_s = I_f + , (1.11)

где величина = соответствует внутреннему сопротивлению p-n-перехода при нулевом смещении.

Следовательно, при малых U ток во внешней цепи примерно равен току короткого замыкания ().

Рассмотрим световую характеристику фотодиода. Она представляет собой зависимость фототока от величины светового потока Ф, падающего на фотодиод. В фотодиодном режиме световая характеристика, описываемая выражением (1.9), строго линейна в большом диапазоне величин световых потоков (прямая 1, рисунок 4), что является важным достоинством фотодиода. В режиме короткого замыкания фотодиода его световая характеристика оказывается нелинейной за счет нарушения этого режима неучтенным сопротивлением толщи полупроводника (кривая 2, рисунок 4).

Важными характеристиками фотодиода являются его спектральная и интегральная чувствительность. Чувствительностью фотодиода называют отношение фототока к величине светового потока:

K = . (1.12)

Обычно чувствительность K фотодиодов измеряют в миллиамперах на люмен . Чувствительность фотодиода – величина постоянная, не зависящая от величины светового потока Ф и напряжения, приложенного к фотодиоду.

Используемый для освещения фотодиода свет может быть как монохроматическим, так и сложного спектрального состава. Чувствительность фотодиода к монохроматическому свету различна для разных длин волн. Зависимость чувствительности диода от длины волны называют спектральной характеристикой фотодиода. Эти кривые для германиевого и кремниевого фотодиодов показаны на рисунке 5.

Из выражения (1.13), воспользовавшись известным соотношением ν=c/λ, можно получить зависимость спектральной чувствительности К от длины волны λ:

K = = , (1.14)

где с – скорость распространения света.

Из выражения (1.14) следует, что спектральная чувствительность должна линейно зависеть от длины волны и проходить через начало координат (рисунок 5). Уменьшение чувствительности в области коротких длин волн по сравнению со значениями, получаемыми из формулы (1.14), связано с тем, что при уменьшении длины волны световая энергия поглощается в более тонком приповерхностном слое, где скорость рекомбинаций неравновесных носителей за счет ловушек значительно больше, чем в глубине материала.

Спад фоточувствительности в области больших длин волн соответствует краю собственного поглощения материала, когда энергия кванта hν примерно равна энергии ширины запрещенной зоны ΔЕ.