Режим фотопреобразователя при обратном включении

Допустим, что в схеме, представленной на рис. 3.12, а, мы приложили обратное напряжение к фотодиоду, не освещая его, и снимаем вольтамперную характеристику (рис. 3.12, д, III квадрант, кривая 1). При обратном смещении в цепи протекает тепловой ток I_s, в данном случае называемый темновым I _т, который весьма мал и может приниматься равным нулю.

Зафиксируем обратное напряжение U_b. Облучим фотодиод активным световым потоком Ф (лм), с частотой волны n большей, чем значение n_кр - так называемой ²красной границы² внутреннего фотоэффекта. Это означает, что энергия Е _кв > h n_кр квантов света, попадающих на поверхность и затем диффундирующих в объем материала (р - и n- области), достаточна для генерации в полупроводнике дополнительных носителей заряда с концентрациями D p и D n.

Рис. 3.12. Схемы включения фотодиода (а-г) и его ВАХ (д)

Рассмотрим, например, n -область фотодиода, в которой за счет фотогенерации образуются неравновесные дырки D p и электроны D n. Заметим, что в n -области столь много основных носителей заряда - электронов, что концентрацией дополнительных электронов можно пренебречь. Но концентрация дополнительных дырок D p велика по сравнению с концентрацией дырок p_n, как неосновных носителей. Именно поэтому нас будет интересовать поведение именно дополнительных дырок D p в n -области, а также дополнительных электронов D n в p -области.

Концентрация дополнительных дырок D p в n -области растет в результате облучения фотонами и непрерывной генерации. Эти дырки за счет диффузии подходят к p-n- переходу, подхватываются внутренним полем и накапливаются вблизи левой границы перехода. Аналогично, из p -области, через переход переходят дополнительные электроны (идут вправо) и накапливаются вблизи правой границы перехода. По мере облучения заряд носителей, перешедших через переход (²+² дырок - слева, ²-² электронов - справа) возрастает и достигает равновесного состояния.

Обратим внимание, что возникшие потоки неосновных носителей увеличивают дрейфовую составляющую тока обратно смещенного p-n -перехода, и в данном режиме суммарный обратный дрейфовый ток I _ф(Ф) фотодиода возрастает и становится много больше, чем темновой ток: I _ф > I _т.

Фототоком называется разность токов

D I = I _ф - I _т = I _ф, (5)

фактически равная I _ф.

Фототок пропорционален величине светового потока Ф, так, что:

I _ф = S_i Ф, (6)

где S_i - интегральная чувствительность.

Естественно, что увеличение светового потока Ф вызывает возрастание фототока D I» I _ф (рис. 3.12, д, III квадрант, кривая 2). Поэтому при фиксированном напряжении по мере увеличения светового потока Ф вольтамперная характеристика освещенного фотодиода смещается вниз.