Фотопроводимостью називається явище, яке полягає в зміні провідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання, не пов'язане з його нагріванням.
За відсутності електромагнітного випромінювання провідність напівпровідника (звана темнової провідність) визначається носіями заряду: електронами в зоні провідності і дірками у валентній зоні, зумовленими термічним збудженням (тепловою генерацією). Ці носії заряду: електрони з концентрацією no і дірки з концентрацією ро - знаходяться в тепловій рівновазі з кристалічною решіткою напівпровідника і називаються рівноважними. Питома темновая провідність напівпровідника sо описується рівнянням:
де е - заряд електрона; mn і mр - рухливості електронів і дірок, відповідно.
При висвітленні напівпровідника в результаті поглинання квантів світла з енергією, що перевищує енергію активації носіїв, виникають додаткові (нерівноважні) носії заряду. Процес їх порушення називають оптичною генерацією. Провідність освітленого напівпровідника s в результаті оптичної генерації носіїв зростає на величину:
Тут Ds - питома фотопровідність напівпровідника; Dn = n -no - концентрації нерівноважних електронів і дірок, відповідно.
Збуджені носії можуть брати участь в провідності тільки протягом певного часу, після закінчення якого вільні носії зникають. Час, який носій проводить у вільному стані (електрон - в зоні провідності, дірка - у валентній зоні), називається часом життя t вільного носія.
Найбільш характерним процесом, що визначає час життя, є рекомбінація - процес возз'єднання електрона і дірки. Швидкість рекомбінації пропорційна концентрації нерівноважних носіїв заряду. З цієї причини, при висвітленні напівпровідника фотопровідність наростає поступово (рис.1).
У міру збільшення швидкості рекомбінації швидкість росту фотопроводимости зменшується і через деякий час встановлюється стаціонарна фотопровідність, якій відповідають стаціонарні концентрації нерівноважних електронів Dnст і дірок Dрст. визначаються рівністю швидкостей генерації і рекомбінації носіїв. при виключенні світла з тієї ж причини фотопровідність спадає до нуля також поступово. Криві наростання і спаду фотопровідності називаються кривими релаксації фотопровідності.
У домішковому напівпровіднику р-типу при виконанні умов ро >> no і Dn < а її спад - рівнянням: де Dsо - стаціонарне значення фотопроводимости; tо - час життя електрона; t - час. Тобто наростання і спад фотопровідності при включенні і виключенні світла в разі лінійної рекомбінації нерівноважних носіїв заряду відбувається за експоненціальним законом з постійною часу релаксації, що дорівнює часу життя пари (електрон - дірка) нерівноважних носіїв заряду. Отже, досліджуючи релаксаційні криві фотопровідності, можна безпосередньо визначити час життя t нерівноважних носіїв заряду (t = tn = tp). Фотодіоди на основі p-n переходу При попаданні кванта світла, з енергією hV в смузі власного поглинання в напівпровіднику виникає пара нерівноважних носіїв - електрон і дірка. При реєстрації електричного сигналу необхідно зареєструвати зміну концентрацією носіїв. Очевидно, що за інших рівних умов зареєструвати зміна концентрації неосновних носіїв простіше. Так, наприклад, в NGaAs з легирующей концентрацією 10 14. концентрація основних носіїв електронів становить 10 14 sm -3. а концентрація неосновних носіїв - дірок - 1sm -3. Тому, якщо при оптичному поглинанні в фотоприемнике на основі GaAs виникає 10 10 нерівноважних носіїв, то простіше зареєструвати зміна концентрації неосновних носіїв. У фотодиодах на основі p-n переходів якраз і реалізований принцип реєстрації зміни концентрації неосновних носіїв під впливом зовнішнього випромінювання. Зворотний струм p-n переходу обумовлений дрейфовими компонентами струму і виражається Тут h-квантовий вихід, a - коефіцієнт поглинання і # 966; - падаючий світловий потік. Малюнок 5.4 Вольтамперная характеристика фотодіода. Неосновні носії, що виникають під дією світлового потоку, повинні формуватися на відстані близько дифузійної довжини від збідненого областіp-n переходу для того, щоб взяти участь в зворотному струмі діода. Характерні параметри дифузійна довжина Lp порядку 100мкн, а ширина збідненого областіp-n переходу 1мкн. Тому, основною фототок в фотодіоді обумовлений поглинанням в квазінейтральності обсязі, і час відгуку фотодіода буде визначатися часом життя неосновних носіїв. Дві характеристики pn-фотодіодів обмежують їх застосування в більшості волоконно-оптичних додатків. По-перше, збіднена зона складає досить малу частину всього обсягу діода, і велика частина поглинених фотонів не приводить до генерації струму в зовнішньому контурі. Виникаючі при цьому електрони і дірки рекомбінують на шляху до області сильного поля. Для генерації струму достатньої сили потрібно потужний світловий джерело. По-друге, наявність повільного відгуку, обумовленого повільної дифузією, уповільнює роботу діода, роблячи його непридатним для середньо- і високошвидкісних застосувань. Це дозволяє використовувати діод тільки в кілогерцовому діапазоні.Схожі статті