Рассмотрим физические процессы, происходящие при освещении p-n-перехода.

При освещении p-n-перехода, например, со стороны n-области (рис. 7) светом, энергия кванта которого достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы p-n-перехода образуются носители заряда – электроны и дырки. Образовавшиеся в результате фотогенерации свободные электроны и дырки участвуют в тепловом движении и диффундируют в различных направлениях, в том числе и в область p-n-перехода. Внутреннее контактное поле p-n-перехода разделяет диффундирующие к нему неосновные избыточные носители заряда: дырки, подошедшие к p-n-переходу, подхватываются полем контактной разности потенциалов и выбрасываются в p-область, а электроны остаются в n-области. Вследствие этого электронная область заряжается отрицательно, а дырочная – положительно. При этом возникает некоторая равновесная разность потенциалов между контактами 1 и 2 – напряжение холостого хода или фото-э.д.с. (точка Д на ВАХ, рис.8).

Закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности излучения.

2. Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности и температуре существует порог (минимальная частота ν₀ или максимальная длина волны λ₀ излучения), за которыми фотоэффект не возникает. Пороговая частота или пороговая длина волны – красная граница фотоэффекта.

3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой излучения и не зависит от его интенсивности. Количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход Y.

Квантовый выход – по физическому смыслу это число вылетевших электронов, приходящихся на один фотон. Квантовый выход зависит от свойств тела, состояния поверхности и энергии фотонов. Фотоэффект из металлов возникает, если hν ≥ A (для чистых металлов) Рис. 4а. Работа выхода – та кинетическая энергия, которую нужно добавить к энергии Ферми, чтобы электрон вышел.

 

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).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

–ток короткого замыкания фотоэлемента; – напряжение холостого хода, равное фото-э.д.с.

Явление возникновения электродвижущей силы между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости, разделенными p-n-переходом, под действием электромагнитного излучения называется фотогальваническим эффектом.

Возникшей фото-э.д.с. соответствует электрическое поле, направленное противоположно контактному полю, которое компенсирует частично потенциальный барьер p-n-перехода при данной освещенности. Концентрация образованных светом избыточных носителей заряда у p-n-перехода, а, следовательно, и величина фото-э.д.с. зависят от интенсивности падающего света. С возрастанием интенсивности фото-э.д.с. увеличивается, но она не может стать больше контактной разности потенциалов.

Если освещенный p-n-переход включить в замкнутую цепь с нагрузкой, то по ней потечет ток, приводящий к уменьшению избыточной концентрации электронов и дырок. Это рабочий режим фотоэлемента, который соответствует участку II на вольт-амперной характеристике.

Если p-n-переход замкнут накоротко, то избыточные разделенные переходом носители заряда создают максимально возможное значение тока – ток короткого замыкания (точка С на ВАХ). При этом никакого скопления образованных под действием света зарядов в p- и n-областях не возникает, а потенциальный барьер будет иметь ту же высоту, что и в темноте.

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании фотогальванического эффекта, называют полупроводниковым фотоэлементом.

Режим работы p-n-перехода при его освещении, когда к нему приложено внешнее напряжение в обратном направлении, называется фотодиодным (участок I на ВАХ на рис. 8). Соответствующий фотоэлектрический полупроводниковый прибор называется фотодиодом.

Различают два вида внутреннего фотоэффекта: фоторезистивный и вентильный.

5. Вентильный фотоэлементы.

Фоторезистивный эффект состоит в изменении электрического сопротивления полупроводника под воздействием энергии электромагнитного излучения. Фоторезистивным эффектом обладают фоторезисторы (фотосопротивления), в них под действием света увеличивается количество свободных электронов, а следовательно, и электропроводность. В большинстве случаев фоторезистор представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку 5 тонкий слой полупроводникового вещества 4 (рисунок 1.2).

К противоположным сторонам полупроводникового слоя припаиваются металлические электроды 1. В качестве светочувствительного материала используется сернистый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и др. Поверх полупроводникового слоя наносится пленка светопроницаемого лака 3 для предохранения фоторезистора от внешней среды. Корпус фоторезистора, в который помещен светочувствительный элемент, может иметь различную форму.

Фоторезисторы характеризуются высокой светочувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами, значительной мощностью и большим сроком службы. Фоторезисторы могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Однако фоторезисторам присуще нелинейная зависимость силы фототока от светового потока, относительно высокая инерционность и некоторая зависимость параметров от температуры. Постоянная времени у фоторезисторов составляет порядка 3 ´ 10^-3, 3 ´ 10^-5 с при световом потоке 10^-5 лм.

Вентильные элементы конструктивно аналогичны, отличаются лишь формой и размерами, исходным полупроводниковым материалами и т. п. (рисунок 1.3).

Рис.1.3.

Вентильный фотодиод имеет металлическое основание 1 толщиной 1–2 мм, выполняющее функции электрода и подложки, на которую нанесен тонкий слой селена 2, покрытый сверху полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 5, изготовленной из серебра, золота или платины менее 1 мкм. Металлический слой пропускает световой поток в слой селена и выполняет функцию верхнего электрода.

6. Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:

- без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);

– с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).

и отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – I_др и I_диф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода U_хх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии DI_диф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:

. (8.5)

Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:

, (8.6)

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I_о, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.

Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.

Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 8.9, 8.10.

7. Светодиоды

Светодиоды – это приборы, излучающие свет, изготовленные с применением полупроводниковых материалов. Благодаря механизму полупроводимости и сопутствующей ему рекомбинации в месте контакта двух полупроводников с разными типами проводимости светодиоды превращают электрический ток, по ним протекающий, в свет, без дополнительных преобразований.

Термин «рекомбинация» по отношению к физике полупроводников означает исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда с выделением энергии.

Светодиоды обозначаются короткой аббревиатурой буквами кириллицы – СД (светодиод), или СИД (светоизлучающий диод), или же латинскими буквами LED (Light Emitting Diode – с английского «светоизлучающий диод»).

Существует много видов светодиодов. Прежде всего светодиоды разделяются по применению.

В основном по применению светодиоды подразделяются на два вида:

· индикаторные светодиоды – относителные, простые, дешевые (маломощные светодиоды, пригодные лишь для световых индикаторов в панелях или в электронных приборах, для подсветки дисплеев либо в приборах панели

· осветительные светодиоды – светодиоды поверхностного монтажа (надежные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающий световым потоком равное/превосходящий традиционные источники света.)

По способу монтажа на монтажную плату:

· Индикаторные светодиоды

· осветительные светодиоды

По типу корпуса: