4.5.   Фото-ЭДС в полупроводниках

Кроме изменения электропроводности в полупроводниках под действием света могут возникать электродвижущие силы. Такое явление называют фотовольтаическим эффектом. Чтобы при осве­щении полупроводников в них возникала ЭДС, необходимо выпол­нение одного из двух условий:

· либо освещение должно быть неод­нородным, т.е. разное количество фотонов должно поглощаться различными элементами объема полупроводника, создавая разное количество фотоносителей;

· либо освещаемый полупроводник дол­жен быть неоднородным, а именно неоднородно легированным, что обусловливает неравномерную концентрацию фотоносителей.

Общими для всех фотовольтаических эффектов является возник­новение внутренних электрических полей, приводящее к перемеще­нию и накоплению заряда в объеме полупроводника, создаваемого генерируемыми светом избыточными носителями, и как следствие – к возникновению фото-ЭДС.

Различают три вида фотовольтаических эффектов:

1) кристалл-фотоэффект – возникновение электрического поля в однородном, неравномерно освещенном полупроводнике;

2) фотомагнитоэлектрический эффект – возникновение в полупроводнике электрического поля, напряженность которого перпендикулярна магнитной индукции и потоку диффундирующих частиц под действием электромагнитного излучения;

1) фотогальванический эффект, проявляющийся при освещении p-n-перехода – возникновение ЭДС в p-n-переходе либо тока при включении перехода в электрическую цепь, происходящее в результате разделения фотоносителей электрическим полем p-n-перехода.

При освещении поверхности полупроводника светом, который способен генерировать избыточные электронно-дырочные пары и сильно поглощается приповерхностным слоем вещества, что эквивалентно неравномерной освещенности, возникающие электронно-дырочные пары диффундируют вглубь образца. Благодаря тому, что коэффициенты диффузии и подвижности электронов и дырок различны, электроны обгоняют дырки. В результате возникают объемные заряды, приводящие к созда­нию электрического поля, направленного вдоль направления рас­пространения поглощаемого света. Создаваемую при этом фото­электродвижущую силу называют фото-ЭДС Дембера. Величина ее тем больше, чем больше разность подвижностей и чем меньше начальная электропроводность материала. Кристалл-эффект в ка­кой-то мере аналогичен явлению термо-ЭДС.

В том случае, когда освещается полупроводниковая пластина с неравномерным  распределением примеси, например n-типа (рис. 4.5), количество электронов, генерируемых в области с боль­шей концентрацией примесей, будет превышать  число электронов в области с меньшей концентрацией примесей. Возникает градиент концентрации электронов, и начинается диффузия электронов, ко­торая приведет к образованию объемных зарядов в полупровод­нике. Между этими зарядами возникает фото-ЭДС.

Рис. 4.5. Возникновение фото-ЭДС в пластине полупроводника с неравномерным распределением примеси

Рис. 4.6. Фотомагнитоэлектрический эффект

Если на освещаемый образец действует магнитное поле, на­правленное перпендикулярно потоку света и одной из граней кри­сталла, то магнитная сила, действующая на электроны и дырки, диффундирующие от освещаемой поверхности, будет отклонять их в противоположные стороны, к противолежащим граням образца (рис. 4.6). Так возникает поперечная ЭДС Кикоина – Носкова, перпендикулярная как направлению светового потока, так и на­правлению магнитного поля.

Описанный фотомагнитоэлектрический эффект в отличие от кристалл-эффекта является суммарным и не связан с обязательной разностью коэффициентов диффузии электронов и дырок. Фотомаг­нитоэлектрический эффект может возникать в области как собст­венного, так и примесного поглощения. По спектральным характе­ристикам фотомагнитоэлектрического эффекта определяют пара­метры зонной структуры и примесных состояний в полупроводнике. Полупроводниковые приборы, основанные на фотогальваниче­ском эффекте, называют фотогальваническими приемниками излу­чения – фотодиодами, фототранзисторами.

Фото-ЭДС и фототок возникает в полупроводнике лишь пр
и освещении его таким светом, энергия квантов которого превышает ширину запрещенной зоны и достаточна для образования пары «электрон – дырка» из­быточных носителей заряда, генерируемых светом. Свет такой длины волны сильно поглощается, поэтому элект­ронно-дырочные пары образуются вблизи поверхности и при рас­положении p-n-перехода в глубине образца заметного влияния на переход не окажут. Для эффективного действия фотодиода либо освещают сбоку область, примыкающую к р-п-переходу (рис.4.7, а), либо делают од­ну из областей значительно тоньше диффузионной длины и освещают ее поверхность (рис. 4.7, б). При этом мож­но получить большую рабочую поверх­ность. Контакт с p-слоем в таком устрой­стве реализуют напайкой металличе­ского вывода к боковой поверхности, которая не освещается.

Рис. 4.7. Фотодиод: а – освещение p-n-перехода сбо­ку; б – освещение одной из областей

Как правило, p-n-переходы для фо­тодиодов получают в кристалле полупроводника n-типа. При освещении по­верхности полупроводника p-типа в нем происходит генерация электронно-дырочных пар и неравновесные носи­тели заряда диффундируют в глубь полупроводника p-типа к p-n-переходу. Для основных носителей за­ряда, дырок p-n-переход представляет собой потенциальный барь­ер, поэтому большая часть дырок остается в p-области полупровод­ника. Неосновные носители заряда (электроны) подхватываются по­лем контактной разности потенциалов и переносятся в n-область полупроводника. Таким образом, p-n-переход разделяет фотоноси­тели.

Неравновесные дырки образуют в p-области полупроводника положительный заряд, неравновесные электроны в n-области полу­проводника – отрицательный заряд. Между этими зарядами возни­кает фото-ЭДС. Она действует в прямом направлении, высота по­тенциального барьера при этом снижается и в замкнутой внеш­ней цепи возникает фототок.

Если внешняя цепь разомкнута, в фотодиоде происходит реком­бинация электронов и дырок, возникающую при этом разность потенциалов называют напряжением холостого хода. С ростом ин­тенсивности излучения фото-ЭДС стремится к насыщению, опреде­ляемому высотой неосвещаемого потенциального барьера, которая ограничивается шириной запрещенной зоны.

Фотоприемники можно использовать для преобразования света в электроэнергию; таковы элементы солнечных батарей космиче­ских и земных аппаратов. В цепях автоматики применяют фотодио­ды в режиме с внешним запирающим смещением, которое преодо­левается при освещении прибора. Таким способом можно, напри­мер, регистрировать световые сигналы либо управлять срабатыва­нием электромеханических устройств.