Laboratorium Elektroniki cz I 6

108

Natężenie prądu fotoprzewodnictwa fotorezystora spolaryzowanego napięciem U można oszacować za pomocą wyrażenia (6.4), z którego wynika, że jest ono pro-porcjonalne do mocy P padającego promieniowania świetlnego oraz do wzmocnię-nia prądowego M. Wartość tego wzmocnienia zawiera się w granicach od 50 do 10⁵ i zależy od materiału i kontrukcji fotorezystora oraz od napięcia polaryzującego U.

(6.4)

gdzie: r\ - sprawność kwantowa fotorezystora;

P - moc promieniowa świetlnego;

M - wzmocnienie prądowe fotorezystora (6.5):

M = n~U

(6-5)

W

gdzie: w - odległość między elektrodami fotorezystora;

[i - ruchliwość nośników nadmiarowych; t - czas życia nośników nadmiarowych.

Zjawisko fotowoltaiczne

Zjawisko fotowoltaiczne wewnętrzne polega na generacji par elektron-dziura pod wpływem promieniowania świetlnego absorbowanego przez półprzewodnik, w którym wykonano złącze p-n. Nadmiarowe nośniki prądu powstają w obszarze warstwy zubożonej złącza oraz w obszarach przyległych do złącza, na odległościach nie większych od średniej drogi dyfuzji nośników mniejszościowych. Pary nośników generowane w obszarze zubożonym są szybko rozdzielane na skutek istniejącego tam silnego pola elektrycznego bariery potencjału. Elektrony są unoszone w kierunku warstwy n⁺, a dziury w kierunku warstwy p⁺, tworząc generacyjny prąd unoszenia. Elektrony wytworzone w warstwie p⁺ dyfundują w kierunku złącza, gdzie są porywane przez pole elektryczne i przerzucane do obszaru n\ Dziury wygenerowane w obszarze n⁺ w analogiczny sposób docierają do warstwy p\ Do obszaru zubożonego złącza docierają tylko te nośniki, które nie zdążą zrekombinować, a są to nośniki, które powstają w odległości mniejszej od średniej drogi swobodnej w danej warstwie. Ilość par, jaką może wygenerować jeden pochłonięty foton, jest nazywana wydajnością kwantową ą fotodiody. Wydajność kwantowa jest zawsze mniejsza od jedności, gdyż część fotonów ulega odbiciu od powierzchni półprzewodnika. Energia elektro*

magnetyczna fal świetlnych wnikających w głąb półprzewodnika jest potencjalnie, a stała tłumienia a zależy od materiału półprzewodnikowego i od długości X fali świetlnej. Proces ten opisuje prawo Bougera-Lamberta (6.6), umożliwiające określenie natężenia promieniowania świetlnego E(x) na głębokość x od powierzchni półprzewodnika:

E(x) = E(0) (1 - R) exp(-oc x)    (6.6)

gdzie: R - współczynnik odbicia powierzchni półprzewodnika, a - współczynnik absorpcji.

Gdy energia fotonów h v < W_g, to półprzewodnik jest praktycznie przezroczysty (r| = 0). W momencie zrównania się energii fotonów z szerokością pasma zabronionego (h v = W_g) następuje gwałtowny wzrost absorpcji (ą = 1) i generacja nośników. Dla energii fotonów spełniającej warunek h v > W_g każdy foton powoduje przeskok jednego elektronu do pasma przewodnictwa, a nadmiar jego energii jest przekazywany drganiom sieci krystalicznej w postaci fononów. Gwałtowny wzrost absorpcji nosi nazwę krawędzi (progu) absorpcji i może być przedstawiony za pomocą zależności (6.1). Zależność współczynnika absorpcji a i głębokości wnikania x_w dla krzemu, germanu i arsenku galu w funkcji długości fali X padającego promieniowania przedstawia rys. 6.1. Ponieważ proces absorpcji jest ściśle związany z głębokością wnikania x_w (6.7) fotonów w głąb materiału półprzewodnikowego, to istnieje również

fys. 6.1. Zależność współczynnika absorpcji a i głębokości wnikania x_w od długości fali X dla krzemu (1), germanu (2) i arsenku galu (3)