Фото-ЭДС в полупроводниках


СОДЕРЖАНИЕ:

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя) – возникновение ЭДС при поглощении света системой, содержащей контакт двух полупроводников с разным типом проводимости (p – n переход) или полупроводника и металла.

Чтобы понять, как возникает фото – ЭДС, рассмотрим сначала, что происходит на границе между двумя областями полупроводника с различным типом примесной проводимости, p и n. В p – области основными носителями заряда являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся отрицательно заряженными ионами – см. рисунок 2.2). Кроме основных, в p – области имеется небольшое число неосновных носителей (для данного типа проводимости) – электронов, возникающих вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет теплового движения. В n – области основные носители заряда – электроны, отданные донорами в зонe проводимости (доноры при этом превращаются в положительно заряженные ионы). И в этой области за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, вследствие теплового движения, образуется небольшое число дырок – неосновных носителей (для данного типа проводимости).

Рисунок 2.2. p – n переход:

· – электроны; – дырки; – ионы

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, p – n переход, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом, вследствие чего p – n переход оказывается сильно обедненным носителями заряда и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, заряд которых не компенсируется электронами (см. рисунок 2.2). Электрическое поле этого слоя Eк (p – n перехода) препятствует дальнейшему переходу основных носителей, т.е. дырок в n – область и электронов в p – область. В области p – n перехода возникает потенциальный барьер eUk. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера eUk, когда уровни Ферми EF обеих областей располагаются на одной высоте (см. рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Расположение энергетических зон

в области p – n перехода

Изгиб энергетических зон в области p – n перехода вызван тем, что потенциал p – области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n – области, соответственно потенциальная энергия электрона Wpэ в p – области больше, чем в n – области (см. сплошную кривую на рисунке 2.4). Так как заряд дырок положителен, то их потенциальная энергия Wpd больше там, где меньше потенциальная энергия электронов, т.е. в n – области, и наоборот меньше там, где потенциальная энергия электронов больше, т.е. p – области (см. пунктирную кривую на рисунке 2.4).

Рисунок 2.4. Потенциальная энергия электронов и дырок

в области p – n перехода

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход идет ток Iосн.. Этот ток компенсируется встречным током неосновных носителей Iнеосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через p – n переход, «скатываясь» с потенциального барьера (см. рисунок 2.4). Сила тока неосновных носителей Iнеосн. определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Сила тока основных носителей сильно зависит от высоты потенциального барьера. Равновесие устанавливается при такой высоте потенциального барьера, когда оба тока Iосн. и Iнеосн. компенсируют друг друга.

Осветим p – n переход со стороны, например, n – области. В области, прилегающей к p – n переходу, под действием света генерируются пары «электрон – дырка», которые в следствие диффузии подходят к переходу, где они разделяются под действием контактного поля. Дырки, как неосновные носители в n полупроводнике переходят в p полупроводник, так как контактное поле способствует их переходу (Eк направленно из n – области в p – область). Электроны не могут преодолеть потенциальный барьер, отталкиваются полем и диффундируют в n – область. В результате этого электронный полупроводник заряжается отрицательно, а дырочный – положительно; появляется дополнительное электрическое поле, вектор напряженности которого Eф противоположен вектору напряженности контактного поля Eк (см. рисунок 2.5). Возникающая при этом разность потенциалов и представляет фото-ЭДС . Возникшая фото-ЭДС уменьшает потенциальный барьер p – n перехода на величину , что приводит к появлению дополнительных потоков основных носителей, направленных навстречу друг другу. При этом токи направлены в одну сторону: из p в n – область, по своему характеру они подобны току, протекающему через p – n переход в прямом направлении.

Рисунок 2.5. Потенциальная энергия электронов и дырок

в области p – n перехода: а) при термодинамическом

равновесии; б) при освещении

Стационарное состояние устанавливается тогда, когда число создаваемых светом пар «электрон – дырка» сравняется с числом носителей заряда, уходящих за счет тока через p – n переход во внешнюю цепь. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток продолжается до тех пор, пока встречные потоки электронов и дырок не сравняются и ток станет равным нулю.

Величина фото – ЭДС зависит от интенсивности светового потока. При малых интенсивностях светового потока фото – ЭДС прямо пропорциональна световому потоку, при больших – достигает насыщения. Максимальное значение фото – ЭДС определяется контактной разностью потенциалов p – n перехода, т.е. = (WFp – WFn) / e, и может принимать значения от сотых долей до одного вольта.

Фотодиоды

Фотогальванический эффект возникает при поглощении света полупроводником при одновременной генерации подвижных носителей — электронов и дверок. Эти носители разделяются в пространстве. Причиной разделения носителей может быть электрическое поле приэлектродного барьера Шоттки на контакте «металл—полупроводник», поле р—-n-перехода или гетеропереход.

На рис. 6.1 представлена схема р—п-перехода, на который падает излучение с энергией фотонов Лю/Eg, где Ех— ширина запрещенной зоны. При освещении р—n-перехода поглощение фотона может произойти в области объемного его заряда. Под воздействием внутреннего поля перехода носители заряда будут перемещаться в противоположных направлениях: электроны будут стремиться в п-область, а дырки соответственно в p-область. Вероятность этого процесса мала, потому что толщина слоя объемного заряда невелика.

Основная часть носителей генерируется в областях, примыкающих к р—n-переходу (на рис. 6.1 они обозначены как области 2 и 3).

Если генерация происходит на расстояниях меньше диффузионной длины электронов L„ и дырок Lp, то сгенерированные носители дойдут до р—n-перехода, не рекомбинируя с основными носителями этих областей. В области объемного заряда неосновные носители сортируются полем р—п-перехода: избыточные носители накапливаются в разных областях, что приводит к возникновению фото-ЭДС и фототока при наличии внешней цепи.

Рис. 6.1. Схема процессов, происходящих в р—п-переходе под воздействием света

В результате разделения носителей p-область будет заряжаться положительно, а п-об- ласть — отрицательно.

Фототок через р—n-переход протекает независимо от приложенного напряжения и имеет вид:

где J„— ток насыщения, создаваемый свободными носителями заряда; Зф— фототок, пропорциональный скорости генерации избыточных электронно-дырочных пар в области диффузионных длин неосновных носителей; qU = Eh — ?/./(.

Вольтамперная характеристика фотодиода представлена на рис. 6.2.

Значение фото-ЭДС можно определить, положив 3- 0. Тогда:

Такой процесс разделения зарядов и формирования ЭДС называется вентильным или барьерным ЭДС.

Если к р—n-переходу приложить обратное напряжение, по величине равное напряжению лавинного пробоя, то возможно усиление фото-ЭДС за счет лавинного умножения генерированных светом носителей.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Существует и объемная ЭДС, вызываемая разделением пар носителей неоднородностями в объеме образца. Это может быть изменение концентрации легирующих примесей и изменение химического состава сложных полупроводников. Причиной разделения пар является встроенное электрическое поле, возникающее в результате изменения положения уровня Ферми. Такие полупроводники называются варизонными. Фотогальванический эффект применяется в фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах, т. е. во всех фотоприемниках с р—п-переходом.

Рис. 6.2. Вольтамперная характеристика фотодиода:

— ток насыщения; — фототок;

Ja — ток короткого замыкания;

  • 1 — освещение отсутствует;
  • 2 — освещение присутствует

Большое распространение получили р—i—n-диоды, в которых i-область состоит из слабо легированного полупроводника. Электрическое поле в i-области ускоряет транспорт носителей и снижает барьерную емкость фотодиода. Последнее обстоятельство позволяет снизить величину емкости на входе предусилителя и уменьшить время переходных процессов.

Диоды на р—i—n-структуре позволяют обеспечить высокую чувствительность в длинноволновой области спектра при увеличении i-области, в которой поглощается порядка 90% излучения. Малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме позволяют обеспечить совместимость р—i—n-диодов с интегральными схемами.

Фотодиоды Шоттки со структурой «металл—полупроводник» позволяют повысить быстродействие приемников излучения до Ю» 0 с.

В таких структурах граница спектральной характеристики сдвигается в сторону более длинных волн. Фотодиоды Шоттки обладают малым сопротивлением базы фотодиода, и инерционность таких приборов определяется временем пролета фотоносителей через область объемного заряда (примерно 10” 1 —КГ 1 с).

Простота создания выпрямляющих фоточувствитсльных структур с барьером Шоттки на различного типа полупроводниках (даже на тех, на которых нельзя сформировать р—n-переход) открывает большие перспективы использования фотодиодов Шоттки.

Фотодиоды на гетероструктурах позволяют создать фотоприемные устройства с КПД, близким к 100%. На рис. 6.3 показано устройство и зонная диаграмма гетерофотодиода. Излучение вводится через слой GaAlAs. Поглощение происходит в n-области GaAs. Разница в ширине запрещенной зоны по обе стороны от гетероперехода составляет приблизительно 0,4 эВ. Генерируемые в n-области дырки переносятся в р‘-область. Ширина активной n-области выбирается такой, чтобы происходило полное поглощение излучения. Структура работает при небольших напряжениях. Выбирая соответствующие пары полупроводников можно создать фотодиоды для любой части оптического спектра. Дело в том, что в гетероструктурах длина волны определяется разницей ширины запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой поглощения излучения.

Рис. 6.3. Схема фотодиода с гетероструктурой (а) и его зонная диаграмма (б)

Фото-ЭДС в полупроводниках

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

Воздействие света на p-n-переход. При воздействии электромагнитного излучения на полупроводник вблизи p-n-перехода образуются добавочные (неравновесные) носители

При воздействии электромагнитного излучения на полупроводник вблизи p-n-перехода образуются добавочные (неравновесные) носители, под действием диффузионного электрического поля p-n-перехода они разделяются: фотоэлектроны переходят в n- область, а фотодырки — в p- область (рис. 6.3). Это явление называют фотоэффектом в p-n-переходе (а также вентильным фотоэффектом или фотовольтаическим эффектом).

Перешедшие в n- область фотоэлектроны создают в ней избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, т.е. заряжают n- область отрицательно. Фотодырки заряжают p- область полупроводника положительно. Процесс накопления неравновесных носителей (электронов в n- , а дырок в p- области) сопровождаются снижением высоты потенциального барьера на границе p- и n- областей и увеличением диффузии основных носителей через переход. Наступает динамическое равновесие. При этом между p- и n- областями полупроводника устанавливается некоторая разность потенциалов . Эту разность потенциалов, возникшую между p- и n- областями полупроводника в результате воздействия на p-n — переход излучения, называют фото-ЭДС, или напряжением холостого хода ( ). Значение фото-ЭДС может достигать величины »1 В, но не превышает значения, численно равного DЕ/q ( — ширина запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, q – элементарный заряд).

Вольт-амперная характеристика освещенного p-n-перехода может описана уравнением

где Iф – фототок, т.е. ток, созданный возбужденными светом носителями.

На рис. 6.4 приведены вольт-амперные характеристики p-n — перехода, при различных значениях освещенности Е * . При отсутствии света Е * =0, IФ=0, и вольтамперная характеристика проходит через начало координат. Кривые, соответствующие определенным значениям освещенности Е1 * , Е2 * , смещаются по оси ординат на отрезки — IФ1, — IФ2 соответственно.

На вольт-амперной характеристике p-n-перехода, на который воздействует электромагнитное излучение с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны, фотодиодному режиму работы соответствует часть характеристик, расположенная в третьем квадранте. В рабочем диапазоне напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, а зависят от освещенности.

Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-ЭДС) соответствует часть характеристик, расположенная в четвертом квадранте. Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжениям холостого хода — Uхх). Фото-ЭДС при слабых световых потоках пропорциональна освещенности, а при больших потоках стремится в постоянному значению. От площади p-n-перехода фото-ЭДС не зависит. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС примерно равна 0,5 В.

Точки пересечения вольт-амперной характеристики с осью токов соответствуют токам короткого замыкания. Ток короткого замыкания пропорционален световому потоку (при небольших потоках), а значит, площади p-n-перехода. Поэтому часто приводят значения плотности тока короткого замыкания. Так, например в кремниевых фотоэлементах плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом составляет 20-25 мА/см 2 . Световые характеристики p-n-перехода приведены на рис 6.5.

Полупроводники. Часть первая: Электрические свойства полупроводников.

Эта статья в основном предназначена для тех, кто только-только начал первые шаги в области радиотехники, но может быть полезна и опытным радиолюбителям или студентам.

В первой части статьи разъясняются процессы, происходящие в полупроводниках на атомном уровне, расписываются такие понятия, как валентная зона, зона проводимости, собственная электропроводность и другие.
Остальные пять частей будут постепенно выкладываться в раздел «Начинающим».

Содержание / Contents

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.

В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1, W2, W3, W4, и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 3.1,б).

↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным.
Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.

↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.

↑ Примесные полупроводники n-типа

Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.

Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определиться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n-типа (от латинского слова negative—отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис. 3.3, а.

↑ Примесные полупроводники р-типа

Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени — при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р-типа (от латинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 3.3, б.
Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неосновные.

Источник: В. И. Галкин, Начинающему радиолюбителю. М., 1983.

Полупроводники

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?


При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см . Концентрация же атомов кремния — порядка см . Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см . Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10 ).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)

Или нажмите на кнопку «Узнать больше», чтобы заполнить контактную форму. Мы обязательно Вам перезвоним.

Светодиодный мир нашего века

О светодиодах применяемых в нашей жизни, автомобилях и технике, устройство, характеристика, подключение светодиода, история будущее.

Не потеряете, только пополните мобилку!

воскресенье, 24 февраля 2013 г.

Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (изо) имеет стеклянную колбу 2 , в которой создан вакуум (в вакуумном фотоэлементе) или после откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком давлении — в ионных фотоэлементах).

Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого «окна» для прохождения светового потока 1 , покрыта фотокатодом 3 , который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
Анод 4 фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе 5 , в нижней части которого находятся контактные штырьки 6 с выводами от анода и катода.

Под действием приложенного напряжения U источника питания между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле, и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду.

Внутренний фотоэффект в полупроводниках

Читайте также:

  1. Беседа 11. Внутренний уклад семьи
  2. Валовой внутренний продукт
  3. Валовой внутренний продукт и валовой национальный доход, как критерии типологии стран
  4. Валовой внутренний продукт и «чистое экономическое благосостояние». Национальное богатство.
  5. Внешний фотоэффект
  6. Внешний фотоэффект и его законы. Квантовая теория фотоэффекта.
  7. Внутренний городской транспорт
  8. Внутренний диаметр главного магистрального участка, к которому присоединяют ответвление, должен быть не меньше рассчитанного по этой же формуле.
  9. Государственный внутренний долг
  10. Неравновесные состояния в полупроводниках и квазиравновесие.
  11. Обращай внимание на внутренний опыт
Каждый электрик должен знать:  Регламентированный ремонт

Фотоприемники — это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.

Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных носителей в полупроводнике. Процесс создания дополнительных носителей заряда внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.

Каждый электрик должен знать:  Переносные электроприемники особенности подключения, классификация по электробезопасности

Внутренний фотоэффект бывает двух видов.

Фотогальванический эффект Фотопроводимость
Возникает только в полупроводнике с p-n-переходом. Возникает в полупроводнике без p-n-перехода.
Он создается в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером, который разделяет возникшие под действием оптического излучения дополнительные носители, что приводит к созданию фото-ЭДС. Он состоит лишь в создании дополнительных носителей (фотоносителей) в результате чего происходит увеличение проводимости полупроводника.
Этот эффект находит применение в фотодиодах и фототранзисторах. Этот эффект находит применение в фоторезисторах.
Каждый электрик должен знать:  20 конструкций с солнечными элементами (Т. Байерс)

Таким образом, под действием оптического излучения в полупроводнике всегда создаются дополнительные носители (электроны и дырки), которые принято называть фотоносителями.

Рассмотрим процесс образования фотоносителей (дополнительных электронов и дырок) при поглощении атомами полупроводника фотонов оптического излучения. В полупроводнике существует три вида поглощения фотонов.

1. Межзонное поглощение. Энергия фотона может быть передана электрону, находящемуся в ковалентной связи, в результате чего, электрон перейдет в зону проводимости (процесс 1 на рис. 13.1). Этот эффект называется также собственной фотопроводимостью.

2. Примесное поглощение с ионизацией примесного атома (процесс 2 на рис. 13.1). Энергия фотона передается электрону на примесном уровне и электрон переходит в зону проводимости. Атом донора лишается одного электрона и превращается в отрицательный ион.

3. Примесное поглощение с возбуждением примесного атома. Энергия фотона может быть передана электрону, находящемуся в ковалентной связи, в результате чего, электрон перейдет на донорный уровень (процесс 3 на рис. 13.1).

Рисунок 13.2 — Прямое и непрямое межзонное поглощение

При собственном поглощении фотонов переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может осуществляться без изменения импульса (прямые переходы, рис. 13.2а) и с изменением импульса (непрямые переходы, рис. 13.2б). В случае непрямых переходов энергия фотона тратится не только на ионизацию атома (перевод электрона в зону проводимости), но и создание фонона — кванта тепловой энергии кристаллической решетки.

Чтобы фотон внешнего излучения создавал фотоносители, необходимо выполнение соотношения:

Поэтому собственный внутренний фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на полупроводник внешнего электромагнитного излучения с длиной волны

где — длинноволновая граница спектральной чувствительности материала (она определяется шириной запрещенной зоны полупроводника).

При собственный фотоэффект в полупроводнике невозможен. Приведем значения для некоторых полупроводниковых материалов:

Полупроводник , мкм
1.1
1.8
0.9
0.8

Из таблицы видно, что наиболее эффективным материалом для создания фотоприемника является германий, который может воспринять электромагнитное излучение в более широком диапазоне частот, вплоть до 1.8 мкм.

Эффективность протекания фотоэлектрических процессов характеризуется квантовым выходом , который равен отношению числа сгенерированных электронно-дырочных пар к числу поглощенных фотонов падающего излучения.

Поглощение излучения характеризуют глубиной поглощения , на которой интенсивность падающего излучения уменьшается в e раз. Вводится также и обратная величина , называемая показателем поглощения.

Поглощение в полупроводнике описывается законом Бугера-Ламберта:

где — световой поток, падающий на поверхность кристалла; — координата, отсчитываемая от поверхности вглубь полупроводникового кристалла.

Зависимость глубины поглощения от длины волны падающего излучения называется спектром поглощения полупроводника.

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. Чувствительность — это параметр, отражающий изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника различают токовую и вольтовую чувствительности. Если измеряемой величиной является фототок , то имеем дело с токовой чувствительностью ( ). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала , называется вольтовой чувствительностью ( ). Для них справедливы следующие соотношения:

где [люмен] — световой поток; — энергия излучения.

Фотоприемники чаще всего используются совместно со светодиодами. В этом случае важно, чтобы чувствительность фотоприемника была максимальной на рабочей длине волны применяемого излучателя (светодиода).

| следующая лекция ==>
Юридическая техника | Фоторезистор

Дата добавления: 2014-01-04 ; Просмотров: 5066 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Фото-ЭДС в полупроводниках

Полупроводниковым фотоэлементом называется полупроводниковый прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает э. д. с., называемая фото-э. д. с. Работа фотоэлемента с запирающим слоем, или, что то же, вентильного фотоэлемента, основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями ( ).

Поглощение лучистой энергии при освещении поверхности фотоэлемента вблизи -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей заряда электронов и дырок. Образующиеся электроны под действием электрического поля -перехода уходят в слой , дырки — в слой . Это приводит к избытку дырок в слое и электронов в слое . Возникающая разность потенциалов (фото-э. д. с.) между слоями вызывает ток во внешней цепи от электрода к электроду . Величина этого тока зависит от количества электронов и дырок, а следовательно, от светового потока.

Схема устройства германиевого, фотоэлемента с запирающим слоем показана на рис. 18-10.

Рис. 18-10. Германиевый фотоэлемент и условный знак полупроводникового фотоэлемента.

Рис. 18-11. Кремниевый фотоэлемент.

Он состоит из пластинки германия 1 с -проводимостью, в которую вплавлен индий 2. В процессе изготовления в пластинке германия, расположенной над индием, образуется область с -проводимостью, на границе которой с германием и создается -переход. Слой германия, расположенный над индием, настолько тонок, что световые лучи свободна проникают в гзону -перехода. Корпус фотоэлемента из органического стекла залит изолирующим компаундом 3, через который проходят два проводниковых вывода.

Кремниевый фотоэлемент (рис. 18-11) состоит из пластины кремния с примесью, имеющей -проводимость. На поверхность пластины путем диффузии в вакууме вводят примесь бора, образуя слой с -проводимостью толщиной порядка 2 мкм. Батареи кремниевых элементов называются солнечными батареями и применяются для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую, имея к. п. д. около 11%.

Они, в частности, применяются на искусственных спутниках Земли для питания их радиостанций.

Фотоэлементы с запирающим слоем имеют высокую чувствительность (до ). Преимущество их перед другими фотоэлементами заключается в том, что они не требуют источника питания. Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной техники и т. д.

Фотодиодом называется полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными -переходом.

Рис. 18-12. Фотодиод: а — схема; б — условное обозначение; в — схема соединения при работе его в генераторном режиме.

Фотодиоды могут работать как с внешним источником питания — фотопреобразовательный режим, так и без внешнего источника — генераторный режим.

На рис. 18-12 показано устройство диода, его условное обозначение и схема включения в генераторном режиме.

При освещении фотодиода создаются дополнительные пары электрон — дырка, часть которых, перемещаясь, достигают — -перехода. Здесь под действием электрического поля — -перехода дырки перехйдят в -область, а электроны остаются в -области, так как они не могут преодолеть потенциального барьеру. Происходит накопление дырок в ласти и электронов в -области, при этом между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, представляющая собой фото-э. д. с., которая может достигнуть значения 1 В. При наличии сопротивления нагрузки через лего будет протекать ток (рис. 18-12, в).

В фогопреобразовательном режиме (рис. 18-13) напряжение источника питания приложено в обратном направлении. При отсутствии освещения через фотодиод проходит небольшой обратный ток — темновой ток.

При освещении электронной области фотодиода возникают пары электрон — дырка. Дырки, доходят до -перехода, под действием его электрического поля переходят в -область. Следовательно, свет вызывает рост, тока неосновных носителей из -области в -область, ток в цепи возрастает, т. е. появляется световой ток. Изменение тока в цепи, зависящее от освещенности диода, вызывает в нагрузке падение напряжения, пропорциональное величине светового потока, действующего на фотодиод. Фотодиод, работающий в режиме фотопреобразователя, подобен фоторезистору, обладающему большей интегральной чувствительностью. Например, у кремниевых диодов типа она имеет значение а у германиевых типа Темповой ток первого из указанных фотодиодов составляет 1—3 мкА, а второго 10 мкА.

Рис. 18-13. Схема соединения фотодиода при работе его в фотопреобразовательном режиме.

Внутренний фотоэффект в полупроводниках

Одним из наиболее важных приоритетов в развитии человечества является открытие и использование новых видов энергии, одним из которых стало открытие явления фотоэффекта. С 1876 года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности. Однако подлинная история использования полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда на третьем советском в качестве источника энергии были установлены солнечные кремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в космосе. В 1974 году ученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безопасна и запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в машиностроении, приборостроении медицине, космосе и других отраслях. . Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия находит широкое применение-это мобильная телефонная связь, которой необходима автономное питание антенн при отсутствии линий электропередач.

Нобелевский лауреат Ханс Бете высказал гипотезу о том, что источником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является термоядерный синтез. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный реактор. Строго говоря, жизнь на планете существует за счет одного главного источника – термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают на Землю в виде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в электричество либо аккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря такому огромному потоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца, можно вообще говорить о таком сложном явлении, как жизнь. Одним из направлений энергетики будущего является солнечная энергетика. На сегодняшний день наиболее эффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый фотоэффект Внутренний или полупрводниковый фотоэффект — увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света. Причиной фотопроводимости является увеличение концентрации носителей заряда (электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Для этого явления присуще такое понятие как Фотопроводимость — дополнительная электропроводность полупроводников, обусловленная действием света. Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, а также вида и количества примесей в нем. Bнyтpeннuй фoтoэффeкт нa6людaeтcя npu ocвeщeнии пoлyпpoвoднuкoв и дuэлeктpuкoв, ecлu энepruя фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнa из вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдимocти. B некоторых noлynpoвoдникax фoтoэффeкт o6нapyживaeтcя тaкжe в тoм cлyчae, ecли энeprия элeктpoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнoв в зoнy npoвoдимocти c дoнopныx npимecныx ypoвнeй или из вaлeнтнoй зoны. Taк в noлynpoвoдникax и диэлeктpикax вoзникaeт фотопроводимость. Интepecнaя paзнoвиднocть внyтpeннero фoтoэффeктa нa6людaeтcя в кoнтaктe элeктpoннoro и дыpoчнoro noлynpoвoдникoв. B этoм cлyчae noд дeйcтвиeм cвeтa вoзникaют элeктpoны и дыpки, кoтopыe paздeляютcя элeктpичecким noлeм p-n-nepexoдa: элeктpoны nepeмeщaютcя в noлynpoвoдник тиna n, a дыpки — в noлynpoвoдник тиna p. Пpи этoм мeждy дыpoчным и элeктpoнным noлynpoвoдникaми измeняeтcя кoнтaктнaя paзнocть noтeнциaлoв no cpaвнeнию c paвнoвecнoй, т.e. вoзникaeт фoтoэлeктpoдвижyщaя cилa. Taкyю фopмy внyтpeннero фoтoэффeктa нaзывaют вeнтильным фoтoэффeктoм.

Oн мoжeт 6ыть иcnoльзoвaн для нenocpeдcтвeннoro npeo6paзoвaния энeprии элeктpoмarнитнoro излyчeния в энeprию элeктpичecкoro тoкa.

Элeктpoвaкyyмныe или noлynpoвoдникoвыe npи6opы, npини,иn pa6oты кoтopыx ocнoвaн нa фoтoэффeктe, нaзывaют фoтoэлeктpoнными.

Фотоэлектрические явления возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего света.Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи). Необходимые условия для возникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).

С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла. Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора — фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

Добавить комментарий