Фотоефект в p-n - переході
При висвітленні p-n-переходу електрично активним світлом, здатним викликати генерацію нерівноважних носіїв, на кінцях разомкнутого переходу виникає ЕРС, звана фотоЕДС. Якщо p-n-перехід включити в замкнуту ланцюг, то в ній потече струм I ф. званий первинним фотострумом. Цей ефект називається фотогальванічним ефектом, ілівентільним фотоефектом.
Розглянемо фізичну природу цього ефекту. На рис. 7.13 показаний рівноважний p-n-перехід, p-область якого опромінюється світловим потоком Ф інтенсивності I0. викликає генерацію в цій області електронно-доручених пар. Швидкість генерації визначається з виразу (6.43)
де # 945; - коефіцієнт відбиття поверхні,
# 946; - квантовий вихід.
Електрично активний світло поглинається вже в тонкому шарі поблизу поверхні, від якої носії дифундують в глиб напівпровідника. Якщо p-n-перехід розташований на глибині lp 
Мал. 7.13. p-n-перехід: а - утворення фотоЕДС; б - зонна діаграма
У переході потече первинний фотострум Iф. а назустріч йому теплової дрейфовий струм Is. Оскільки існує динамічна рівновага струмів з урахуванням (7.38), можна записати вираз
Оскільки. вираз (7.87) набуде вигляду
де # 946; - коефіцієнт збирання, рівний відносній частці носіїв, що дійшли до переходу без рекомбінації.
Якщо включити такий p-n перехід в зворотному напрямку в ланцюг, що містить джерело струму, то в ньому потече зворотний струм jобр. протилежний Jф (рис. 7.14, а). Такий режим роботи називають фотодіодних.
Сумарний струм через перехід буде дорівнює
Рівняння (7.90) називають загальним рівнянням фотодіода.
Мал. 7.14. Фотодіод: а - схема включення; б - ВАХ
З останнього співвідношення видно, що ВАХ опромінюється p-n переходу (фотодіода) зміщується вниз по осі ординат пропорційно інтенсивності світла (рис. 7.14, б).
Якщо p-n перехід розімкнути. то величина фотоЕДС може бути визначена з (7.90); якщо вважати j = 0, тоді фотоЕДС в режимі холостого ходу дорівнюватиме
У разі якщо p-n перехід закорочен. то при помірних токах можна вважати, що падіння напруги на переході дорівнює нулю. Тоді струм короткого замикання дорівнює фотострумів jкз = Jф (рис. 7.14, б)
У проміжному випадку, якщо p-n перехід замкнутий через деякий опір Rн. струм через перехід і напруга на ній визначається загальним управлінням фотодіода (7.89) або
Такий режим роботи p-n-переходу отримав названіевентільного режиму роботи фотоелемента. він здійснюється в четвертому квадранті.
Якщо p-n-перехід працює в фотодіодному режимі (рис. 7.14, а) і, працюючи, точка не виходить за межі третього квадранта, струм через перехід можна вважати рівним js + Jф. а напруга на переході
де Iобр - повний зворотний струм через перехід.
Вираз (7.89) отримано для ідеалізованого випадку. Насправді як структура p-n-переходу, так і умови генерації і рекомбінації істотно відрізняються від розглянутих. Зокрема, випромінювання втрачає свою інтенсивність з глибиною проникнення в напівпровідник, падає і швидкість генерації носіїв
де # 945; - коефіцієнт поглинання.
Таким чином, товщина шару, де відбувається генерація, дуже мала (10 -2 ---- 1 мкм). Істотний внесок вносить і поверхнева рекомбінація носіїв. Тоді необхідно вибирати умови lp < де s - швидкість поверхневої рекомбінації. Перший доданок в (7.96) описує темновой ток, а друге - фотострум, який досягає максимуму при s = 0, тобто за відсутності поверхневої рекомбінації. За інших рівних умов необхідно мати максимальний коефіцієнт дифузії Dp і мінімальні значення lp і s. З метою більш ефективного відводу носіїв від поверхні p-n-перехід формують так, що при поверхневій області створюється нерівномірний розподіл домішки. Це призводить до створення тягне поля в цій галузі. Ефективність поділу полем переходу генеруються носіїв заряду характеризується фоточутливістю, рівної відношенню збільшення фотоструму # 916; Iф до викликає його світловому потоку # 916; Ф де # 916; Р - приріст потужності оптичного випромінювання. Вищевказані недоліки фотодіода на основі p-n-переходу усуваються в p-i-n фотодиодах, де між p- і n-областями розташований i-шар з власноюпровідність. Товщина цього шару вибирається досить великий lp >> Lp. з тим щоб поглинання світла відбувалося саме в цій області. В i-шарі при нормальній температурі вільні носії практично відсутні. І при зворотному зміщенні переходу вся прикладена напруга буде падати на високоомному i-шарі. Фотогенерованих пари в сильному полі i-шару будуть розділятися більш ефективно, і фотоотклік таких діодів буде швидшим. Основна перевага p-i-n-фотодіода полягає в високих швидкостях перемикання і високому квантовому ефекті, оскільки товщина i-шару дозволяє більшості фотонів поглинатися в цьому шарі. Для підвищення фоточутливості в якості фотоприймача часто використовують не фотодіод, а фототранзистор. де управління здійснюється світлом, що подається на базову область. Такий транзистор управляти не струмом бази, але світловим потоком. Фоточутливість фототранзистор більше, ніж для фотодіода, оскільки транзистор має коефіцієнт посилення # 946; Т. Тоді повний фототок фототранзистор буде дорівнює тобто в # 946; +1 більше фоточутливості фотодіода при інших рівних умовах. Серійне виробництво ПЗС-матриць здійснюється компаніями Texas Instruments, Sony, Samsung, Kodak і ін. Серед українських виробників можна назвати НПП «Електрон-Оптронік», НВП «Сілар» (Санкт-Петербург). Як приклад продукції цих підприємств можна привести матрицю ПЗС ISD-077, в якій число елементів складає 1040 при розмірі осередку 16х16 мкм із загальною фоточутливої поверхнею - 16,6 мм 2. На її базі розроблена малокадрового цифрова камера SEC1077, призначена для реєстрації зображень в ультрафіолетовому і видимому спектральних діапазонах, яка використовується в астрономії, медицині, технології МЕА.Схожі статті