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 E_к (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 E_F 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 W_pэ в p – области больше, чем в n – области (см. сплошную кривую на рисунке 2.4). Так как заряд дырок положителен, то их потенциальная энергия W_pd 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 I_осн.. 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 I_неосн. 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 I_осн. и I_неосн. 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 (E_к 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 E_ф противоположен вектору напряженности контактного поля E_к (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. = (W_Fp – W_Fn) / e, и может принимать значения от сотых долей до одного вольта.