Фотодиоды

Если обеспечить доступ оптического излучения Ф на область p-n-перехода (рис. 4.51), то за счет энергии квантов света, значение которой зависит от длины волны воздействующего светового потока в области p-n-перехода, возникнут дополнительные пары свободных носителей заряда (электрон-дырки). Под действием собственного поля p-n-перехода эти носители перейдут в соседние области (дырки – в р-слой, электроны – в n-слой), т. е. заряды, образовавшиеся в результате светового воздействия, ведут себя как неосновные носители. В результате обратный ток p-n-перехода возрастает на величину фототока I_ф=F(Ф). Появление дополнительных зарядов на границе раздела (дырок – в р-области, электронов – в n-области) приведет к понижению потенциального барьера и соответственно к увеличению диффузионной составляющей тока. Уравнение вольт-амперной характеристики такого p-n-перехода примет вид

Рис. 4.53. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.52. Воздействие оптического излучения на p-n-переход: 1 – светопроницаемое окошко; 2 – герметичный непрозрачный корпус

(4.17)

График зависимости (4.17.) изображен на рис. 4.53.

Из рис. 4.53 хорошо видно, что при обратном смещении такой p-n-переход может выполнять функцию оптически управляемого элемента:

I_ф=F(Ф, U_обр),

что широко используется на практике, когда информация передается по оптическим каналам (оптоэлектроника). С другой стороны, если разомкнуть выводы p-n-перехода (I = 0), то согласно (4.17) на разомкнутых концах при воздействии светового потока появляется разность потенциалов (рис. 4.54):

(4.18)

Рис. 4.54. Генерация разности потенциалов под воздействием оптического излучения

Это означает, что p-n-переход в данном случае выполняет функцию преобразователя энергии светового потока в электрическую энергию.

Если к зажимам освещенного p-n-перехода присоединить нагрузку, то в ней выделится мощность за счет протекания тока (рис. 4.54) Р_н=e_фi_ф.

а б

Рис. 4.55. Графическое определение фотоЭДС е_ф
и вызванного тока i_ф освещенного p-n-перехода:
а – схема подключения нагрузки; б – графическое
определение фотоЭДС е_ф

На основе рассмотренного явления преобразования в p-n-переходе световой энергии в электрическую строятся элементы солнечных батарей, являющихся основными источниками электроэнергии на борту космических аппаратов. К сожалению, низкий КПД таких элементов не позволяет пока широко использовать их в земных условиях*.

Эффективность реакции p-n-перехода на оптическое воздействие зависит от длины волны (спектра). Поэтому одной из важнейших характеристик таких приборов является спектральная. Например, зависимость фототока от длины волны (l) оптического воздействия (рис. 4.56).

Подбором материала полупроводника можно обеспечить максимум оптической чувствительности в области видимого или инфракрасного излучения.

Рис. 4.57. Инерционность p-n-перехода при оптическом воздействии

Рис. 4.56. Спектральная характеристика светочувствительного p-n-перехода

Естественно, что реакция p-n-перехода на оптическое воздействие является инерционной (рис. 4.57). Характеристики степени инерционности также являются важным параметром фотодиодов.