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 > hn_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 Dp и Dn.

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 Dp и электроны Dn. Заметим, что в n-области столь много основных носителей заряда - электронов, что концентрацией дополнительных электронов можно пренебречь. Но концентрация дополнительных дырок Dp велика по сравнению с концентрацией дырок p_n, как неосновных носителей. Именно поэтому нас будет интересовать поведение именно дополнительных дырок Dp в n-области, а также дополнительных электронов Dn в p-области.

Концентрация дополнительных дырок Dp 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

DI = I_ф - I_т = I_ф, (5)

фактически равная I_ф.

Фототок пропорционален величине светового потока Ф, так, что:

I_ф = S_iФ, (6)

где S_i - интегральная чувствительность.

Естественно, что увеличение светового потока Ф вызывает возрастание фототока DI » 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.