Физические основы работы фотодиода.


Фотодиод при освещении.


Посмотрим теперь, что получается, если фотодиод (p-n-переход) освещать, например, со стороны n-области, как показано на рис.1. Свет будет проникать в n-область и выбивать электроны из валентной зоны в зону проводимости, т.е. генерировать электронно-дырочные пары. В результате в n-области появятся дополнительное количество дырок Dp в валентной зоне и такое же количество электронов Dn в зоне проводимости. Но это будут неравновесные носители заряда. При этом концентрация неосновных носителей заряда (дырок) значительно возрастает, Dp >> p1, а концентрация основных носителей (электронов) практически остается неизменной Dn << n1 так как основных носителей в примесном полупроводнике всегда очень много. Таким образом, основную роль в работе фотодиода будут играть появляющиеся при освещении дырки в валентной зоне полупроводника n-типа (рис.5). Эти дополнительные дырки будут диффундировать в сторону p-n-перехода. Важную роль будет играть диффузионная длина пробега дырок, Lp. Эта длина, по прохождении которой дырка рекомбинирует с электроном из зоны проводимости. Поэтому, чтобы все образованные светом дырки дошли до p-n-перехода, а не исчезли из-за рекомбинации, толщина n-области должна быть много меньше диффузионной длины (Wn << Lp). Для этого n-область фотодиода делается очень тонкой, а степень легирования n-области - малой, т.к. с уменьшением концентрации доноров уменьшается концентрация электронов в зоне проводимости, что уменьшает скорость рекомбинации (уменьшается вероятность встречи дырки и электрона). Таким образом, дырки, образованные светом, диффундируют в сторону p-n-перехода и под действием электрического поля в p-n-переходе (рис.3б) выбрасываются в p-область (рис.5).


Рис.5. Протекание диффузионного дырочного тока Iф через p-n-переход при освещении фотодиода.


Итак, сделаем важный вывод: электрическое поле в p-n-переходе разделяет избыточные свободные носители заряда, дырки Dp уходят в правую (p-область), а электроны Dn остаются слева, где они образовались, т.к. они не могут преодолеть потенциальный барьер p-n-перехода и отбрасываются электрическим полем обратно. Такое же разделение зарядов происходит в источниках тока, но там разделение положительных и отрицательных зарядов и образование ЭДС происходит за счет химических сил. Причем, когда происходит разделение основных носителей заряда при контакте двух полупроводников, образующееся электрическое поле p-n-перехода не дает возможности разделенным носителям заряда уйти за пределы диода, эти носители концентрируются вблизи границы раздела (рис.3а). Когда же происходит разделение неосновных носителей, созданных светом в валентной зоне, и основных носителей, созданных в зоне проводимости, то эти носители под действием поля p-n-перехода наоборот уходят в сторону от p-n-перехода. Дырки, Dp, стремятся уйти из фотодиода вправо, а электроны, D n, влево.Так образуется ЭДС фотодиода при освещении.
Пусть внешняя цепь фотодиода разомкнута. Тогда неравновесные, созданные светом носители заряда, разделенные электрическим полем p-n-перехода, не могут покидать фотодиод. Тогда справа от p-n-перехода будет накапливаться положительный заряд дырок, а слева в зоне проводимости остаются нескомпенсированные избыточные электроны. Возникает некоторая избыточная разность потенциалов Df или фотоЭДС,(рис.5б), и электрическое поле, направленное противоположно имеющемуся полю в области p-n-перехода, которое компенсирует (понижает) частично потенциальный барьер p-n-перехода.
Рис.6. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие работу фотодиода при освещении:







а)режим короткого замыкания,
б) разомкнутая цепь,
в) фотодиод, замкнутый на внешнее сопротивление.

Явление возникновения ЭДС между двумя разнородными веществами или при наличии p-n-перехода в полупроводнике под действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом. Фотодиоды, которые используются для получения ЭДС или тока во внешней цепи, называются фотоэлементами. Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда, а, следовательно, и величина фотоЭДС Df зависят от интенсивности падающего света и от параметров самого фотодиода. С возрастанием интенсивности света фотоЭДС увеличивается, но не может стать выше контактной разности потенциалов jK т.е. высоты потенциального барьера p-n-перехода (рис.6б), т.к. иначе барьер полностью исчезнет и прекратится разделение заряда электрическим полем p-n-перехода.
Если освещенный p-n-переход включить в замкнутую цепь (рис.6а), то по ней потечет ток, направленный от p- к n-области и приводящий к уничтожению избыточной концентрации электронов и дырок. Если сопротивление внешней равно нулю (фотодиод замкнут накоротко), то избыточные, разделенные переходом носители заряда будут иметь возможность циркулировать через эту короткозамкнутую цепь, создавая максимально возможное значение тока короткого замыкания (рис.6а). При этом никакого скопления образованных под действием света зарядов в p- и n-областях не возникает, все эти заряды стекают во внешнюю цепь, поэтому потенциальный барьер будет иметь ту же самую высоту, что и в темноте (фотоЭДС =нулю) (рис.6а). Точно также, если батарею или аккумулятор закоротить, то через внешнюю цепь потечет максимально возможный ток короткого замыкания, а напряжение на клеммах батареи станет равным нулю. Если во внешней цепи стоит сопротивление R, (рис.6в), то в цепи потечет ток Iф и на сопротивлении возникнет напряжение UR = Iф*R.
На такую величину Df =Iф*R (3) уменьшится высота потенциального барьера, т.к. разделенные избыточные заряды создают как падение напряжения на p-n-переходе, так и напряжение на выводах фотодиода. На такую же величину опустится уровень Ферми в p-области по сравнению с уровнем Ферми в n-области.