Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
2 jp(a)S = eI,
(3-5)
(3.6)
ВЕНТИЛЬНАЯ ФОТОЭДО
355
§ 4. Вентильная фотоэдс
Наиболее важным типом фотоэдс является так называемая вентильная фотоэдс. Она возникает в том случае, когда свет генерирует носители заряда вблизи потенциального барьера, т. е. при освещении контактов металл — полупроводник и р—п-переходов. Однако, вследствие сложной микроструктуры контактов полупроводника с металлом, мы ограничимся в дальнейшем наиболее ясным случаем р—«-переходов.
Следует различать две принципиально отличные схемы включения фотоэлемента с р—«-переходом. В первой из них фотоэлемент непосредственно замкнут на внешнюю нагрузку (рис. 11.5, а) и
«и «о' *0-
В
а)
б)
1-
Рис. 11.5. Схемы включения фотоэлемента (а) и фотодиода (б).
является преобразователем световой энергии в электрическую. Такую схему включения мы будем называть «схемой фотоэлемента». Другая схема (рис. 11.5, б) содержит во внешней цепи еще источник тока, включенный так, чтобы на р—«-переходе было напряжение запорного знака. Это напряжение выбирают по возможности большим, но, конечно, меньше пробойного напряжения р—«-перехода. Такая схема получила название «схемы фотодиода». При этой схеме включения существующий в цепи ток (который в темноте есть ток насыщения р—«-перехода и в хороших диодах очень мал) сильно изменяется при освещении и, соответственно, изменяется и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении R. При правильном выборе напряжения источника и внешнего сопротивления величина электрического сигнала может быть сделана намного большей, чем в схеме фотоэлемента, и поэтому фотодиоды широко -применяются для регистрации и измерения световых сигналов. В дальнейшем мы будем рассматривать фотоэлементы только как источники тока.
356
ФОТОЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ силы
[ГЛ. XI
Величина вентильной фотоэдс на несколько порядков больше, чем эдс Дембера и объемная фотоэдс. Коэффициент полезного действия вентильных фотоэлементов может быть сделан достаточно большим (см. ниже),1 и поэтому они находят техническое применение для прямого преобразования световой энергии в электрическую. В частности, вентильные фотоэлементы используются для создания
солнечных батарей, широ-
п р
Л
-eVa
Рис. 11.6. Происхождение вентильной фотоэдс. Пунктиром показаны края энергетических зон в темноте.
ко применяемых на искусственных спутниках Земли и космических кораблях.
Физическая причина возникновения вентильной фотоэдс заключается в том, что потенциальный барьер р—/г-перехода разделяет
потоки фотодырок и фотоэлектронов. Положим, что сильно поглощаемое излучение падает на одну из граней кристалла, параллельную плоскости р—п-перехода (рис. 11.6). Для определенности будем считать, что освещается п-область, и будем считать сначала, что фотоэлемент разомкнут. Фотоэлектроны и фотодырки будут диффундировать в глубь кристалла, и некоторая их доля, не успевшая рекомбинировать (на поверхности и в объеме), достигнет р—n-перехода. Однако для основных носителей — электронов
— в р—n-переходе существует потенциальный барьер, и поэтому практически все они не пройдут в p-область. Напротив, для неосновных носителей — дырок — потенциального барьера нет и все достигшие перехода дырки будут затягиваться ,полем перехода в глубь кристалла, создавая ток ih Если gs — темп поверхностной генерации пар, а |5 — доля фотодырок, дошедших до перехода без рекомбинации, то
ii = egs$S, (4.1)
где S — освещаемая площадь. Вследствие появления «светового тока» I/ p-область будет заряжаться положительно, а я-область— отрицательно, и между электродами элемента появится разность потенциалов. Поэтому в фотоэлементе, который представляет собой обычный диод с р—«-переходом, возникнет еще дополнительный ток 1Д, обусловленный инжекцией дырок в и-область и электронов в p-область и" направленный противоположно току ij. Для «идеального» диода (нет рекомбинации в самом р—«-переходе, токи утечки
ВЕНТИЛЬНАЯ ФОТОЭДС
367
малы, падением напряжения в толще кристалла можно пренебречь) этот ток дается формулой (VIII. 1.4). В результате между разомкнутыми электродами фотоэлемента установится такое напряжение V0, при котором полный ток i = ii — ;д = 0.
Если электроды фотоэлемента замкнуты на внешнюю нагрузку, то напряжение между ними и будет меньше V0 и токи I/ и гд уже не будут компенсировать друг дру-
вольтамперную характеристику тонкого р—«-перехода. При освещении
все точки этой кривой сдвигаются Рис. 11.7. Вольтамперная ха-
вверх на одну и ту же величину i/ ракгеристика идеального фото-
(кривая 2). Вследствие этого при i = 0 элемента в темноте (/) и при ос-
; v ч v вещении (2).
